Устройства поддержки давления

С. Федоров, Терма-СЕТ

Одним из важнейших условий нормальной работы систем отопления/охлаждения является поддержание в любой ее точке достаточного избыточного давления. Это необходимо, с одной стороны, для снижения риска кавитации, разрушения насосов и арматуры, устранения шумов. С другой стороны, избыточное давление препятствует попаданию газов в систему и образованию воздушных пробок.

Увеличение температуры в замкнутом постоянном объеме приведет к резкому росту давления жидкости и разрушению системы. Поэтому функция поддержания давления связана с решением вопроса компенсации объема теплоносителя в соответствии с колебаниями температуры.

Простейшим способом решения такой задачи является периодический слив теплоносителя из системы, например, через клапан максимального давления при повышении давления и закачка жидкости, например, с помощью насосов, из внешнего источника при уменьшении давления. Но в этом случае может исчезнуть важное преимущество закрытых систем — их защищенность от процессов коррозии, т. к. из системы сливается вода с низким содержанием коррозионно активных газов и закачивается теплоноситель с высокими концентрациями растворенных газов.

Удержать теплоноситель внутри системы можно с помощью элементов, меняющих свой объем в процессе работы — расширительных баков и станций поддержки давления.

В статье рассматриваются особенности применения этих устройств.

Открытые расширительные баки. Простейшим устройством для поддержания давления в закрытой системе является открытый бак, установленный над верхней точкой системы. При увеличении температуры и расширении воды ее уровень в баке повышается, и, наоборот, снижение температуры приводит к понижению уровня. Такие баки предельно просты, недороги и до сих пор используются в большом количестве.

Одним из основных недостатков баков такого типа является большая потеря воды системы за счет испарения. Большие потоки свежей воды с высоким содержанием кислорода вызывают коррозию как в баке, так и в системе (рис. 1). Давление в таких системах ограничено высотой расположения бака и соответственно ограничивает максимально возможную температуру теплоносителя или использование циркуляционных насосов с большим напором. Для создания избыточного давления 0,5 бар в верхней точке нужно разместить бак на 5 м выше. Открытые баки размещаются, как правило, на чердаках, поэтому в зимнее время вода может замерзнуть, что приведет к резкому увеличению давления при дополнительном нагреве воды. Особую опасность представляют протечки при сильной коррозии или переливе.

Закрытые расширительные баки. В баках закрытого типа жидкость при расширении попадает в закрытый металлический бак, объем которого разделен мембраной или эластичной камерой на две части (рис. 2). Одна часть предназначена для жидкости, которая может свободно входить из системы в бак и обратно через патрубок, вторая часть бака изолирована и заполнена газом под избыточным давлением. Таким образом, жидкость постоянно находится под давлением воздушной подушки и эластичной мембраны. С помощью этого простого механизма компенсируется изменение объема жидкости и поддерживается давление в некотором интервале значений. Отметим, что давление в системе при этом не постоянно, оно растет при увеличении и падает с уменьшением температуры, а интервал давлений может быть достаточно широким (рис. 3). Мембрана блокирует испарение жидкости и препятствует попаданию газов в жидкость. Важным свойством расширительных баков является также демпфирование гидравлических ударов в системе.

Размер бака и предварительное давление в воздушной половине должны быть заранее рассчитаны с учетом параметров системы и режима ее эксплуатации. Поскольку объем воды постоянно меняется с изменением температуры, мембраны расширительных баков интенсивно деформируются. Таким образом, баки и мембраны в них являются одним из самых слабых звеньев закрытых систем. В идеале материал мембран должны быть химически нейтральным, обладать высокой эластичностью и малой проницаемостью для газов.

В настоящее время закрытые расширительные баки преобладают в большинстве развитых стран.

Существуют два типа конструкций расширительных баков закрытого типа.

Большая часть применяющихся в настоящее время баков небольшого и среднего объема имеет так называемую диафрагменную конструкцию (рис. 2, слева), при которой бак разделен мембраной как перепонкой на две части. В баках камерного типа (рис. 2, справа) используется эластичная камера. Жидкость при расширении попадает внутрь камеры и не соприкасается с металлическими стенками бака. Как правило, более дешевые баки диафрагменного типа существенно уступают бакам камерного типа в долговечности, надежности и стабильности характеристик.

Рассмотрим некоторые особенности баков с диафрагменной конструкцией.

Закачанный на заводе газ полностью растягивает мембрану до прилегания к корпусу (верхнее положение мембраны). При долгом хранении это может вызвать эффект прилипания мембраны к корпусу, когда вода заполняет бак только при существенном избыточном давлении в системе. С другой стороны, при постоянном нахождении жидкости в баке, его внутренняя металлическая поверхность со временем начинает ржаветь, несмотря на защиту.

Крайние положения мембран соответствуют высокой степени деформации. Но большая амплитуда растяжения возможна только для тонких эластичных мембран. В качестве материала мембран для баков диафрагменного типа используется в основном EPDM и нитрил NBR. Эти материалы имеют высокую эластичность, широкий температурный диапазон и достаточную износостойкость. Однако относительно высокая проницаемость этих материалов для газов и небольшая толщина мембран приводят к тому, что газ диффундирует через мембрану в жидкость и давление воздушной подушки в процессе работы достаточно быстро падает. Жидкость постепенно заполняет бак, давление в системе также падает, и бак вообще может перестать работать как напорная емкость. Такой бак требует частой подкачки и повышенного внимания сервисных служб. Наиболее слабым местом диафрагменных баков является соединительный шов между двумя половинами бака, который к тому же имеет максимальную длину. Неудивительно, что после окончания гарантийного срока (как правило, 1-2 года), баки этого типа могут протекать по шву, система перестает быть закрытой, увеличивается объем воды подпитки, а вместе с ней концентрация кислорода и скорость коррозии.

Большинство перечисленных проблем удается избежать в баках камерного типа. В полностью сварных баках этого типа вместо мембраны используется эластичная камера, соединительный шов небольшого периметра находится внутри бака и не испытывает больших нагрузок. В такой конструкции вода не соприкасается с металлическими стенками, что полностью исключает коррозию баков. При заполнении камеры водой растяжение камеры невелико, что позволяет делать ее стенки толще и резко снизить интенсивность процесса диффузии газов.

Высокая стабильность характеристик подтверждается измерениями, произведенными для групп баков различных производителей. На рис. 4 представлены величины падения давления в воздушной камере баков разных фирм за год эксплуатации на реальных объектах.

На общем фоне заметно выделяется продукция компании «Пневматекс» (на диаграмме слева). Все баки «Пневматекс» имеют камерную конструкцию и патентованный материал камер на основе бутила. Гарантийный срок эксплуатации баков — 5 лет.

В качестве материала мембран для баков камерного типа в основном используются материалы на основе бутила, проницаемость которого для газов существенно ниже, чем у EPDM и NBR. Поскольку рабочий интервал температур бутиловых камер лежит в пределах 5-70 °С, рекомендуется установка этих баков на обратных линиях. Если температура теплоносителя в месте установки выходит за пределы рекомендуемой, между расширительным баком и системой должен быть установлен промежуточный бак (без камеры), действующий как теплообменник.

Стабильность характеристик, большие гарантийный и эксплуатационный сроки, снижение сервисных затрат и риска аварии на объекте — серьезные аргументы при выборе баков камерного типа.

Основными характеристиками при подборе бака, а также при сравнении баков разных производителей являются:

• тип бака (для систем отопления, для бустерных систем/систем ГВС);

• номинальный объем бака ;

• максимальное давление, на которое рассчитан бак;

• тип конструкции бака (диафрагменный, камерный);

• материал диафрагмы/камеры, совместимость с теплоносителем, возможность работы с антифризами;

Баки, используемые в открытых системах отопления и системах водоснабжения, должны иметь повышенную надежность и степень защиты от коррозии. В баках используется специальный материал диафрагм или камер. Для систем водоснабжения используются в основном баки камерного типа, в том числе баки с проточным режимом (рис. 5).

Расчет расширительных баков для систем отопления

Исходные данными, необходимыми для расчета характеристик баков для систем отопления являются:

• объем теплоносителя в системе ;

• максимальная температура в системе ;

• температура прямого и обратного потока

• максимальное давление в системе;

• статическая высота теплоносителя ;

Cтраницы: 1 | 2 | читать дальше>>

Мастер-класс по подбору автоматических установок поддержания давления для систем отопления и охлаждения. Технологии для высотных сооружений

1 марта 2008

Применение автоматических установок поддержания давления (АУПД) для систем отопления и охлаждения получило широкое распространение в связи с активным ростом объемов высотного строительства.

АУПД выполняют функции поддержания постоянного давления, компенсации температурных расширений, деаэрации системы и компенсации потерь теплоносителя.

Но поскольку это достаточно новое для российского рынка оборудование, у многих специалистов данной области возникают вопросы: что представляют собой стандартные АУПД, каковы принцип их действия и методика подбора?

Начнем с описания стандартных установок. На сегодня наиболее распространенный тип АУПД — это установки с блоком управления на основе насосов. Подобная система состоит из безнапорного расширительного бака и блока управления, которые соединены между собой. Основными элементами блока управления являются насосы, соленоидные клапаны, датчик давления и расходомер, а контроллер, в свою очередь, обеспечивает управление АУПД в целом.

Принцип действия данных АУПД заключается в следующем: при нагреве теплоноситель в системе расширяется, что приводит к росту давления. Датчик давления фиксирует это повышение и посылает калиброванный сигнал на блок управления. Блок управления (с помощью датчика веса (наполнения) постоянно фиксирующий значения уровня жидкости в баке) открывает соленоидный клапан на линии перепуска. И через него излишки теплоносителя перетекают из системы в мембранный расширительный бак, давление в котором равно атмосферному.

По достижению заданного значения давления в системе соленоидный клапан закрывается и перекрывает поток жидкости из системы в расширительный бак. При охлаждении теплоносителя в системе его объем уменьшается, и давление падает. Если давление падает ниже установленного уровня, то блок управления включает насос. Насос работает до тех пор, пока давление в системе не поднимется до заданного значения. Постоянный контроль уровня воды в баке защищает насос от «сухого» хода, а также предохраняет бак от переполнения. Если давление в системе выходит за рамки максимального или минимального, срабатывает один из насосов или соленоидных клапанов соответственно. Если производительности одного насоса в напорной линии не хватает, задействуется второй насос. Важно, чтобы АУПД такого типа имела систему безопасности: при выходе одного из насосов или соленоидов из строя должен автоматически включаться второй.

Методику подбора АУПД на основе насосов имеет смысл рассмотреть на примере из практики. Один из недавно реализованных проектов — «Жилой дом на Мосфильмовской» (объект компании «ДОН-Строй»), в центральном тепловом пункте которого применена подобная насосная установка. Высота здания составляет 208 м. Его ЦТП состоит из трех функциональных частей, отвечающих, соответственно, за отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Система отопления высотного корпуса поделена на три зоны. Общая расчетная тепловая мощность системы отопления — 4,25 Гкал/ч.

Представляем пример подбора АУПД для 3-й зоны отопления.

Исходные данные, необходимые для расчета: 1) Тепловая мощность системы (зоны) Nсист, кВт. В нашем случае (для 3-й зоны отопления) этот параметр равен 1740 кВт (исходные данные проекта); 2) Статическая высота Н_ст (м) или статическое давление Р_ст (бар) — это высота столба жидкости между точкой подсоединения установки и наивысшей точкой системы (1 м столба жидкости = 0,1 бар). В нашем случае этот параметр составляет 208 м; 3) Объем теплоносителя (воды) в системе V, л. Для корректного подбора АУПД необходимо располагать данными об объеме системы. Если точное значение неизвестно, среднее значение водяного объема можно вычислить по коэффициентам, приведенным в табл. По данным проекта водяной объем 3-й зоны отопления V_сист равен 24 350 л. 4) температурный график: 90/70 °C.

Первый этап. Расчет объема расширительного бака к АУПД: 1. Расчет коэффициента расширения Красш (%), выражающего прирост объема теплоносителя при его нагреве от начальной до средней температуры, где Тср = (90 + 70)/2 = 80 °С. При данной температуре коэффициент расширения будет составлять 2,89 %.

2. Вычисление объема расширения V_расш (л), т.е. объема теплоносителя, вытесняемого из системы при его нагреве до средней температуры: V_расш = V_сист × K_расш = 24350×2,89 = 704 л. 3. Вычисление расчетного объема расширительного бака Vб: Vб = V_расш×К_зап = 704×1,3 = 915 л. где К_зап — коэффициент запаса.

Элементы системы	Объем системы, л
	На 1,0 кВт (860 ккал/ч)	На 1,163 кВт (1,000 ккал/ч)
Конвекторы и (или) воздушные обогреватели	5,2	6
Системы воздухообработки	6,9	8
Панельные радиаторы	8,6	10
Колонные радиаторы	12,0	14
Потолочные радиаторы	21,5	25
Приборы центрального отопления	25,8	30

Удельный водяной объем систем отопления

Далее выбираем типоразмер расширительного бака из условия, что его объем должен быть не меньше расчетного. При необходимости (например, когда существуют ограничения по габаритам) АУПД можно дополнить дополнительным баком, разбив общий расчетный объем пополам.

В нашем случае объем бака будет составлять 1000 л.

Второй этап. Подбор блока управления: 1. Определение номинального рабочего давления:Р_сист = Н_сист /10 + 0,5 = 208/10 + 0,5 = 21,3 бар.

2. В зависимости от значений Рсист и Nсист выбираем блок управления по специальным

таблицам или диаграммам, представленным поставщиками или производителями. В состав всех моделей блоков управления могут быть включены как один насос, так и два. В АУПД с двумя насосами в программе установки можно по желанию выбрать режим работы насосов: «Основной/резервный», «Поочередная работа насосов», «Параллельная работа насосов».

На этом расчет АУПД заканчивается, а в проекте прописываются объем бака и маркировка блока управления.

В нашем случае АУПД для 3-й зоны отопления должна включать безнапорный бак объемом 1000 л и блок управления, который обеспечит поддержание давления в системе не менее 21,3 бар.

К примеру, для данного проекта была выбрана АУПД MPR-S/2.7 на два насоса, PN 25 бар и бак MP-G 1000 фирмы Flamco (Нидерланды).

В заключение стоит упомянуть, что существуют также установки на основе компрессоров. Но это уже совсем другая история…