2.7. Выбор насосного оборудования для систем отопления.

2.7.1. Основные критерии выбора насосного оборудования для систем отопления.

Для обеспечения циркуляции теплоносителя в системах отопления используются специальные циркуляционные насосы.

Циркуляционные насосы предназначены для обеспечения принудительного движения жидкости по замкнутому контуру. В частности, это может быть замкнутая герметичная система отопления здания. При этом конфигурация в пространстве принципиального значения не имеет.

При расчете производительности насоса, работающего в циркуляционной системе, следует учитывать только потери на трение в трубопроводе. Высота системы (здания) не имеет значения, так как жидкость , которая подается насосом в подающий трубопровод , толкает воду также в обратном направлении. Это обеспечивает относительно небольшую мощность насоса.

Рисунок 2.7.1. Принципиальная схема замкнутой системы отопления

Циркуляционные насосы создают определенный перепад давления в месте установки. Перепад давления служит для преодоления суммы всех гидравлических потерь на трении в трубопроводах, то есть за счет него жидкость поддерживается в постоянном движении. Для определения фактического давления перепад давления суммируется со статическим давлением. Но из-за различных потерь на трение в трубопроводах, запорно-регулирующей арматуре, котле и у потребителей в каждой точке системы возникает свое рабочее давление.

Отопительные системы осознано эксплуатируют при избыточном давлении. Таким образом, предотвращается образование пузырьков пара даже при критическом режиме работы. Благодаря избыточному давлению исключается проникновение воздуха снаружи в водную систему.

Что необходимо учитывать при выборе насоса:

• Необходимо точно определить условия эксплуатации (температура теплоносителя, вещество используемое в качестве теплоносителя или его процентное содержание в растворе, диаметры трубопроводов)
• Производительность. Для циркуляционных насосов производительность может быть рассчитана по приведенной ниже формулам, в любом случаи и это делается исходя из условия максимальной загруженности.
• Напор. При подборе насоса необходимо учитывать гидравлические потери, возникающие в трубопроводах при полученной скорости циркуляции.

Сопротивление сети трубопроводов ведет к потере давления переданного жидкости по всей длине сети. Характеристика протекания жидкости в системе показывает общее сопротивление потоку: причиной сопротивления сети трубопроводов являются трение воды по стенкам трубы, трение капель воды между собой изменениями направления движения в арматуре. При изменении объёма перекачиваемой жидкости, например, вследствие открытия и ли закрытия термостатических вентилей, изменяется также скорость воды и соответственно сопротивление сети трубопроводов.

Рабочая точка насоса

Рисунок 2.7.2. Рабочая точка насоса

Там, где характеристика насоса пересекается с характеристикой сети, называется актуальной точкой системы отопления или системы водоснабжения. Это говорит о том, что в этой точке имеет место равновесие между напором насоса и сопротивлением сети трубопровода. Из этого следует, что при изменении производительности, которую может обеспечить насос, рабочая точка также изменится.

Коэффициент полезного действия насоса

Рисунок 2.7.3. Коэффициент полезного действия насоса

Коэффициент полезного действия насоса или коэффициент эффективности, является отношением полученной мощности к выданной мощности. Так как в системе всегда есть потери, КПД всегда меньше 1.

Оптимальный коэффициент полезного действия лежит приблизительно в середине его характеристики. В каталогах производителей насосов эта оптимальная рабочая точка для каждого насоса специально обозначается.

Для циркуляционного насос КПД может быть определен по формуле:

П=Пм*ПР где, Пм — кпд мотора, пр — кпд гидравлической части.

2.7.4. Оптимальное расположение рабочей точки

При подборе подходящего насоса следует иметь в виду, что рабочая точка должна находится в средней трети диаграммы рабочих линий насоса. Не следует устанавливать более мощный насос, чем это требуется для безупречного теплообеспечения здания.

Вода как средство переноса тепла

Следует выделить следующие свойства воды как средства транспортировки тепла:

• Теплоаккумулирующая способность;
• изменение объема, как при нагреве, так и при охлаждении;
• связанное с этим изменение плотности;
• испаряемость под воздействием внешнего давления.

Важнейшим качеством любого теплоносителя является его Теплоаккумулирующая способность. Если отнести теппоаккумулирующую способность к массе и разнице температур, то можно получить удельную теплоемкость: с , кДж / (кг?К). Таким образом, удельная теплоемкость -это то количество тепла, которое необходимо затратить для увеличения температуры 1 кг материала на 1 К. И наоборот при охлаждении он отдает тоже количество тепла. Для воды при температуре от 0 до 100°С средняя удельная теплоемкость имеет следующее значение: с = 4,19 кДж/(кг?

Инженерные системы

Монтаж, ремонт и обслуживание котлов и колонок

Рабочая точка

Характеристики насоса и системы пересекаются в рабочей точке. В ней полезная мощность насоса равна мощности, потребляемой трубопроводной сетью, а напор – сопротивлению системы.

Рабочая точка также определяет подачу, которую может обеспечить насос. При этом следует иметь в виду, что подача не должна быть ниже определенного минимума – это вызывает перегрев и повреждение прибора. Рабочая точка за пределами характеристики насоса также может привести к повреждению мотора.

Выбирая циркуляционный насос для системы отопления, руководствуются максимальным потреблением тепла зданием. Однако часто ситуация осложняется тем, что гидравлическое сопротивление системы неизвестно наверняка. Найти оптимальную расчетную рабочую точку – задача проектировщика.

Определившись с рабочей точкой, подбирают “циркуляционник” с близкой характеристикой. Поскольку найти насос точно под конкретную систему практически невозможно, модель выбирают “с запасом”. В процессе работы системы отопления по мере изменения подачи и гидравлического сопротивления рабочая точка смещается влево от расчетной. Это вызывает увеличение напора насоса, в результате возникает шум в клапанах. Регулировать напор и подачу в соответствии с потребностью можно, применяя насосы с частотным преобразователем. При уменьшении скорости снижается шум и энергопотребление, увеличивается срок службы, а в результате сокращаются эксплуатационные расходы.

При выборе насоса также следует учитывать вязкость и рабочую температуру теплоносителя, объем системы отопления и расширительного бака, рабочее давление и давление срабатывания предохранительного клапана. Кроме того, необходимо выполнять требования региональных стандартов и нормативов, определяющие выбор той или иной модификации (например, взрывозащита).

Циркуляционные насосы в системах отопления

В настоящее время системы отопления с гравитационной (естественной) конвекцией теплоносителя имеют ограниченную сферу применения — их используют лишь в малоэтажных домах и квартирах. В силу некоторых недостатков гравитационных систем (небольшой радиус действия, замедленное движение жидкости и т.д.), всё более распространёнными становятся системы отопления с принудительной конвекцией, в которых движение теплоносителя по трубам происходит за счёт работы циркуляционного насоса.

Циркуляционный насос состоит из корпуса с горизонтально размещённым внутри ротором с лопастным рабочим колесом и двигателя. Двигатель приводит во вращение ротор, при этом поступающая через всасывающее отверстие жидкость перемещается лопастями к выходному отверстию насоса и выталкивается из него с определённой силой и скоростью в радиальном направлении, преодолевая гидравлическое сопротивление трубы.

В результате в трубопроводе создаётся давление, необходимое для движения жидкости. Для правильного подбора циркуляционного насоса требуется сопоставить характеристики системы и насоса и определить рабочую точку системы отопления.

График характеристики циркуляционного насоса

Напор или давление Н — показатель удельной механической работы, совершаемой насосом для преобразования энергии двигателя в кинетическую энергию жидкости, измеряется в миллиметрах водяного столба (мм вод. ст.), Паскалях (Па), барах и др. Подача Q — объём жидкости, перекачанной насосом за единицу времени, измеряется в кубометрах в час (м3/ч) или в литрах в секунду (л/с).

Взаимозависимость величин напора H и подачи Q определяет рабочую характеристику циркуляционного насоса, что наглядно отображает график характеристики в системе координат с горизонтальной осью Q и вертикальной H. Максимальное давление создаётся при закрытом входном клапане — этот показатель называют напором насоса при нулевой подаче (режим закрытого клапана). В момент открытия клапана часть энергии привода насоса сообщается поступающей жидкости, и первоначальное максимальное давление начинает падать.

График характеристики системы отопления

Система отопления характеризуется величиной потери давления, обусловленной такими факторами, как гидравлическим сопротивлением трубопровода (зависит от формы, материала, длины и сечения всех участков, наличия разветвлений и перекрывающих термостатических вентилей) и внутренним сопротивлением среды теплоносителя (зависит от температуры, вязкости, скорости течения). Потери напора в трубопроводах при задаваемом лопастями насоса радиальном направлении потока выражаются через квадрат скорости течения жидкости. Поэтому график характеристики системы в координатной системе с осями Q и H имеет вид параболической кривой с центром в нулевой точке напора и подачи.

Определение рабочей точки

Если изобразить графики характеристики насоса и характеристики системы в одной координатной плоскости (H, Q), они пересекутся в точке, называемой рабочей. В рабочей точке мощность, потребляемая трубопроводом, равна полезной мощности насоса, а напор насоса имеет то же значение, что сопротивление системы. По рабочей точке определяется максимум возможной подачи, обеспечиваемой насосом. При этом необходимо учитывать, что для нормальной работы насоса также определена предельная точка минимума подачи. Если величина подачи ниже этой точки, происходит повреждение мотора насоса из-за его перегрева.

Выбор циркуляционного насоса

Для определения характеристики отопительной системы необходимо правильно рассчитать её гидравлическое сопротивление, что является достаточно трудновыполнимой задачей. Поэтому проектировщики при выборе оптимального насоса, опираясь на рабочую точку системы, часто подбирают модель подходящей характеристики с «запасом». Если в процессе работы насоса изменяется сопротивление системы, рабочая точка смещается влево от рассчитанной. Происходит уменьшение подачи теплоносителя и увеличение силы напора насоса, что приводит к возникновению шума в клапанах.

Решить эту проблему позволяет использование циркуляционных насосов с автоматическим регулированием частоты вращения ротора. В насосах с частотным преобразователем при уменьшении скорости вращения снижается уровень подачи, при этом уменьшаются гидравлическое сопротивление системы и потребляемая мощность, что приводит не только к бесшумной работе, но и к значительной экономии энергии и увеличению эксплуатационного срока службы насоса.

Что такое «рабочая точка» насоса?

Если Вы впервые сталкиваетесь с необходимостью подобрать насос для перекачивания какой-либо жидкости, то, скорее всего, второй вопрос, который Вы услышите (первый будет касаться как раз перекачиваемой жидкости и типа насоса): «А на какую рабочую точку Вам подобрать насос?». Для специалистов вопрос про рабочую точку достаточно очевидный — это определяющий параметр для корректной работы насоса. И для них определение рабочий точки насоса будет дано чуть ниже.

А для тех, кто впервые столкнулся с понятием «рабочая точка», больше подойдёт такое объяснение: рабочая точка — это точка пересечения характеристики насоса с характеристикой системы. То есть — это напор и подача, которые нужны для того, чтобы получить желаемый результат на Вашей системе. Другими словами, если Вы подбираете насос для водоснабжения, отопления или канализации и не знаете ответа на вопрос «Какова рабочая точка?» — просто обратитесь к специалисту и объясните: что, откуда куда (в метрах по вертикали и горизонтали) и в каком объёме Вы хотите перекачивать. На основе этих данных специалист и рассчитает рабочую точку, которая в свою очередь поможет ему в подборе насоса.

Ну а для желающих подробно разобраться с понятием «рабочая точка насоса», представим полный ответ (на примере центробежного насоса):

Рабочая точка центробежного насоса является точкой пересечения кривой напора H(Q) и характеристической кривой установки HA(Q). При этом кривая H(Q) зависит от параметров насоса, а зависимость HA(Q) обусловлена параметрами установки (см. рис. 1 Рабочая точка)

Положение рабочей точки изменяется, когда кривая напора H(Q) и/или характеристическая кривая установки HA(Q) принимают другое положение или изменяют вид:

H(Q) изменяется, HA(Q) остается неизменной:

• Данное явление характерно для центробежных насосов с регулируемой частотой вращения (см. «Регулирование»). (см. рис. 2 Рабочая точка)
• Может возникать вследствие подключения одинаковых центробежных насосов, работающих параллельно. (см. рис. 3 Рабочая точка)

HA(Q) изменяется, H(Q) остается неизменной:

Характеристическая кривая установки может изменяться в процессе эксплуатации вследствие увеличения потерь напора (например, в результате дросселирования регулирующей арматурой, образования налета в трубах) или изменения геодезического напора (например, изменения уровня в резервуарах).

Расчетные точки и точки по запросу (требования заказчика) лишь в исключительных случаях полностью совпадают с рабочей точкой. Таким образом, рабочая точка часто приводится в соответствие путем дроссельного регулирования. (см. рис. 4 Рабочая точка)

Выбор циркуляционного насоса для системы отопления. Часть 3

Определение напора насоса.

Следующим важным параметром, по которому подбирается циркуляционный насос, является напор.

Как мы уже отмечали в предыдущей статье, насос «заставляет» теплоноситель «бегать» по замкнутому контуру, разнося тепло по комнатам дома.

На своем пути вода встречает повороты, ответвления, сужения и расширения участков трубопровода. Кроме того, ей приходится проходить целый ряд важных элементов системы отопления: фильтр грубой очистки, запорную и регулировочную арматуры, теплообменник котла и т.д.

Все перечисленные участки пути, по которым бежит вода, оказывают сопротивление ее движению. Чтобы преодолеть это сопротивление и вовремя доставить тепло нуждающимся в этом помещениям, воде нужно передать определенную побуждающую силу.

Вот этой силой и является т акая важная характеристика, как напор, который измеряется в метрах водяного столба. Этот параметр, по сути, показывает: на какую высоту данный насос может поднять воду. Если он может поднять воду на эту высоту, то, соответственно, передаст воде такую же силу для преодоления гидравлического сопротивления трубопровода и элементов системы отопления на всем пути ее следования.

Спешим, однако, сказать, что в системе отопления сама геодезическая составляющая (количество этажей в здании, этаж, на котором стоит циркуляционный насос, а также этаж, на котором находится самый последний по высоте отопительный прибор и т.д.) не имеет никакого значения. В отличие от системы водоснабжения, где насосу приходится поднимать воду от одной точки до другой и создавать избыточное давление, система отопления является замкнутой. Теплоноситель в контуре течет за счет перепада давления, которое создает насос.

Как же все это посчитать и понять, какой напор нужен насосу?

Отталкиваться нужно от потерь давления в самой системе отопления.

Представьте, что вам нужно перевезти мебель из одного места в другое.

С чего вы начнете решение этой задачи?

Вы станете заказывать машину или сначала посмотрите объем мебели?

Конечно же, прежде чем заказывать машину, вам нужно увидеть объем перевозимого груза. Это поможет определиться с маркой машины, ее грузоподъемностью и вместимостью.

Также обстоит дело и при выборе напора насоса.

Чтобы понять, какой нужен напор, необходимо посчитать каким гидравлическим сопротивлением обладает сама система отопления, и какое препятствие она будет создавать движению воды.

Для этого расчета используют формулу:

ΔP = 1,3 * Σ [R * L] + ΣZ , где

ΔP — потеря давления в системе, Па (измеряется в Паскалях);

Как мы уже говорили, напор насоса измеряется в метрах, а систему считаем в Паскалях. Как соизмерить эти единицы, поговорим чуть дальше.

R — потери давления в трубах, Па/м;

L — длина труб в метрах всего контура отопления (подача и обратка), по которому циркулирует теплоноситель. Расчет ведется по самому длинному и нагруженному контуру (если контуров несколько). Также следует учитывать изменение диаметра трубопровода на разных участках. Поэтому длина конкретного участка считается отдельно.

Z — потери в других элементах системы, Па;

Σ — сумма (символ не несет конкретной цифры, а обозначает сумму тех чисел или параметров, который следуют за ним).

Применение формулы на практике.

По нанесенной на план схеме отопления, где уже проставлена тепловая нагрузка на каждый участок системы (нагрузку считаем, используя методику, приведенную в предыдущей статье), находим самое длинное циркуляционное кольцо. Если диаметр трубопровода на протяжении всего кольца не меняется, то просто записываем его длину. Если кольцо имеет трубы разного диаметра, то считаем общую длину труб каждого диаметра, включая подачу и обратку.

Дальше можно воспользоваться одним из двух способов определения сопротивления системы:

1. сопротивление, заложенное в проекте (от 100 до 150 Па/м);
2. сопротивление, создаваемое величиной расхода в зависимости от выбранной скорости движения теплоносителя — оптимальной считается скорость равная 0,3 — 0,7 м/c (по принципу: чем больше расход теплоносителя протекает через одно и то же сечение трубы, тем больше сопротивление движению теплоносителя оказывают внутренние стенки трубы и других элементов системы).

Первый способ — самый легкий для расчета. Сопротивление участков трубы закладывается на стадии проекта по показателям, выверенным на практике и прошедших апробацию в течение продолжительного времени.

Что это за показатели?

Это закладываемое сопротивление участка трубы вне зависимости от ее внутреннего диаметра, равное 100 — 150 Па/м.

Как это делается?

Практикой установлено, что гидравлическое сопротивление трубопровода, равное 100 — 150 Па/м, является наиболее приемлемым с точки зрения оптимизации по: стоимости материала, трудозатратам, выполнению требований СНиП, а также будущим энергозатратам, связанным с работой циркуляционного насоса и других устройств.

Поэтому, заложив, к примеру, сопротивление, равное 100 Па/м, проектировщик приступает к расчету расхода теплоносителя на магистралях, ветках, стояках и т.д., по которым тепло движется в отапливаемые помещения.

Рассчитав тепловые нагрузки и пользуясь заложенными в проект сопротивлением (100 Па/м), проектировщик увеличивает или уменьшает внутренний диаметр трубопровода.

А чем пользуется проектировщик, чтобы понять: когда сопротивление трубопровода при расчетной величине лежит в пределах заложенного сопротивления, а когда выходит за этот предел?

Хотя для этого есть специальные формулы, в большинстве случаев пользуются готовым таблицами, взятыми у производителя трубопровода или из приложений справочников. Пример такой таблицы вы можете посмотреть ниже (для увеличения картинки кликните левой кнопкой мышки по изображению).

Итак, чем же прост этот способ расчета сопротивления отопительной системы дома?

Тем, что измерив длину труб самого протяженного циркуляционного кольца (включая подачу и обратку), вы умножаете ее на 100 Па/м и получаете гидравлическое сопротивление основного циркуляционного кольца.

Затем полученную цифру увеличиваете на 30% (в большинстве случаев этого достаточно, чтобы учесть потери давления на угольниках, тройниках, не считая их количество и их КМС — коэффициент местного сопротивления).

Далее к полученной цифре вы прибавляете потери давления на фильтре грубой очистки в чистом состоянии (данные берутся в каталоге конкретного производителя), потери давления в котле и потери давления на запорной и регулировочной арматуре. Все перечисленные данные берутся из паспортов или каталогов конкретного производителя.

Выполнив все действия, вы рассчитали потери давления в основном циркуляционном кольце системы отопления.

«Очень долго и сложно», — скажете вы.

Нет! На самом деле, на практике все происходит гораздо быстрее. И пример, рассмотренный ниже, доказательство этому.

Давайте посчитаем потери давления в системе отопления жилого дома, для которого мы рассчитывали расход теплоносителя.

Напомним, площадь дома равна 490 м 2 .

Предположим, что дом четырехуровневый с цокольным этажом, где находится котел и насос. В результате замера, учитывая выбранную схему системы отопления, длина всех труб самого длинного циркуляционного кольца (включая подачу и обратку) у вас получилась 90 м.

В проекте вы решили заложить потери давления в трубопроводе, равные 150 Па/м. В системе у вас заложен фильтр грубой очистки с потерями давления 5000 Па (из каталога производителя). Также установлен котел, потери давления в котором составляют 1770 Па. И не забудем добавить 30% потерь давления от потерь трубопровода на повороты, сужения и ответвления.

Подставляем полученные значения в формулу и получаем:

1,3 * (90 * 150) + 1770 + 5000 = 24320 Па.

Таковы потери давления в нашей системе.

Чтобы подобрать насос, переведем Паскали в метры.

1 м = 9807 Па (или приблизительно в 1 м — 10000 Па).

В нашем случае мы получили потерю давления в системе отопления, равную

24320 / 9807 = 2,48 м.

А теперь будем подбирать насос, но сначала поговорим о таких понятиях как:

• кривая работы насоса;
• рабочая точка насоса;
• КПД.