Мифы «гравитационки»

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.

Рис. 2. Пример двухтрубной системы отопления с естественной циркуляцией

Для этого используем пример классической двухтрубной гравитационной системы отопления (рис. 2), 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, расстояние до центра радиатора первого яруса h₂ = 6 м.

Температура на выходе из котла – 90 °С, на входе в котел – 70 °C. Действующее циркуляционное давление для радиатора второго яруса можно определить поформуле:

Для радиатора первого яруса оно составит:

При более точных расчетах учитывается также остывание воды в трубопроводах.

Миф 1. Трубопроводы должны прокладываться с уклоном по направлению движения теплоносителя. Не спорим, так было бы не плохо, 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. 3)?

Рис. 3. Пример выполнения верхнего розлива с контруклоном

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. 4. Дренажный кран служит для выпуска воздуха в момент заполнения системы теплоносителем. В «крейсерском» режиме этот кран закрыт. Такая система останется полностью работоспособной.

Рис. 4. Пример устройства для выпуска воздуха из верхнего розлива

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 остываниетеплоносителя на участках подъема должно учитываться в расчетах. Если система грамотно рассчитана, то схема, представленная на рис. 5, вполне имеет право на существование. Мало того, в начале прошлого века такие схемы достаточно широко применялись, несмотря на свою слабую гидравлическую устойчивость.

Рис. 5. Схема с верхним расположением обратного трубопровода

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. 6) или отдельной воздушной линии.

Рис. 6. Схема с нижним расположением подающей 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, показанного на рис. 7, при H = 7 м, h₁ = 3 м, h₂ = 8 м, действующее циркуляционное давление составит:

Здесь: ρ₁ = 965 кг/м 3 – плотность воды при 90 °С; ρ₂ = 977 кг/м 3 – плотность воды при 70 °С; ρ₃ = 973 кг/м 3 – плотность воды при 80 °С.

Циркуляционного давления вполне достаточно для работоспособности такой системы.

Рис. 7. Однотрубная гравитационная система с расположением радиаторов ниже котла

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 этилен- и полипропиленгликолевые 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. Эти два фактора вместе взятые существенно увеличивают расчетное гидравлическое сопротивление системы, заполненной теплоносителями с низкой температурой замерзания.

Миф 6. В открытый расширительный бак необходимо постоянно доливать теплоноситель, т.к. 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. 8). Такая 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.

Рис. 8. Воздушная трубка с гидрозатвором

Миф 7. Насос, установленный на байпасе главного стояка, не создаст эффекта циркуляции, т.к. установка запорной арматуры на главном стояке междукотлом и расширительным баком запрещена. Можно поставить насос на байпасе обратной линии, а между врезками насоса установить шаровой кран. Такое решение не очень удобно, т.к. 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 клапан в нормально открытый). 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 для гравитационных систем VT.202 (рис. 9), который скоро появится в ассортименте VALTEC. 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.

Рис. 9. Установка поплавкового нормально отрытого обратного клапана

Водяные системы отопления с естественной циркуляцией окутаны еще многими мифами, которые предлагаем вам развеять самостоятельно:

• расширительный бак можно врезать только над главным стояком;
• в таких системах нельзя ставить мембранный расширительныйбак;
• 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.

Твердотопливный котел в гравитационной системе отопления открытого типа

Основная особенность гравитационной схемы отопления в том, что вода самотеком циркулирует по системе, в которой в качестве отопительных приборов чаще всего используются змеевики из труб большого диаметра.

Преимущества систем с естественной циркуляцией тепло­носителя в том, что они самые простые, относительно долго­вечные (при правильной эксплуатации могут работать более 40 лет без капитального ремонта) и функционируют на основе физических законов, не требуя дорогостоящего оборудования и дополнительных источников энергии.

Основные недостатки гравитационной системы отопления:

— сокращенный радиус действия (до 30 м по горизонтали) из-за небольшого циркуляционного давления;

— медленное включение в работу из-за большой теплоем­кости воды и слабого циркуляционного давления;

— опасность замерзания воды в расширительном баке, смонтированном в неотапливаемом помещении. «

Система отопления с естественной циркуляцией теплоноси­теля (рис. 1) состоит из котла, трубопроводов (подающего и об­ратного), нагревательных приборов и расширительного бака.

Рисунок 1. Схема гравитационного отопления. 1-котел, 2-бак, 3-подающая труба, 4- радиатор, 5-обратная труба.

Вода нагревается в котле и поступает по подающим трубам и стоякам в нагревательные приборы, отдает им часть тепла, по­сле чего по обратным трубам возвращается в котел. Там она снова нагревается до заданной температуры, и цикл повторяется.

При этом все горизонтальные трубопроводы монтируют с наклоном в сторону движения воды, благодаря чему нагретая вода, поднявшись по стояку из-за температурного расширения и выталкивания более холодной водой обратного трубопровода, расходится по горизонтальным отводам самотеком. Охлажден­ная вода тоже самотеком поступает в котел.

Стоит отметить, что уклоны трубопроводов также способ­ствуют отводу пузырьков воздуха к расширительному баку: так как газ легче воды, он идет вверх, а наклонные участки труб не дают ему задерживаться, он беспрепятственно поступает в рас­ширительный бак, а затем и в атмосферу.

Постоянное давление в системе создает расширительный бак. Он принимает увеличивающийся при нагревании объем воды и отдает воду обратно в трубы при ее охлаждении.

Вода поднимается благодаря расширению и гравитацион­ному давлению. Циркуляция происходит из-за разности плот­ностей нагретой и охлажденной воды. При этом гравитацион­ное давление расходуется на движение воды и преодоление в трубопроводах сопротивлений. Последние вызываются тре­нием воды о стенки труб и имеющимися в системе местными сопротивлениями, к которым относятся ответвления и изгибы трубопроводов, арматура, а также нагревательные приборы. Чем больше сопротивлений, тем выше гравитационное давле­ние. Чтобы снизить трение воды, используют трубы большого диаметра. Циркуляционный напор зависит от плотности горячей и охлажденной воды, а также,от разности отметок центра котла и центра нижнего отопительного прибора — чем больше раз­ность высот между ними, тем лучше будет циркулировать вода в системе.

Двухтрубная система отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя.

В такой системе вода из котла поднимается по подающим трубам вверх и поступает по стоякам и отводкам в нагреватель­ные приборы (рис. 2).От радиаторов теплоноситель по обратным стоякам и подводкам идет в обратный трубопровод, а затем в котел. Посколь­ку каждый прибор обслуживается двумя трубопроводами, си­стема называется двухтрубной.

Рисунок 2. Двухтрубная система отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя. а-общий вид, б -расширительный бак, в-схема подпитки, 1-подающий трубопровод, 2-обратный трубопровод, 3-сиггнальный трубопровод, 4-водопровод, 5-отверстия для ручной заливки системы и отвода воздуха, 6-подача, 7-перелив, 8-шаровый кран, 9-фильтр, 10-обратный клапан.

Вода поступает в систему через водопровод, а при его от­сутствии теплоноситель заливают вручную через отверстие рас­ширительного бака. Последний может быть без циркуляции во­ды и с циркуляцией воды.

Рисункок 3. Схема отопления с расширительным бачком сложной конструкции: а — общий вид; б — схема расширительного бака; 1 — подающая труба; 2 — обратная труба; 3 — контрольная труба; 4— труба перелива

Расширительный бак без циркуляции воды — это емкость с двумя трубами, одна из которых является подающим стояком системы отопления, а другая — сигнализатором, предупреждающим о заполнении бака водой. Подающая труба может быть вварена в бачок как сбоку, так и снизу. Сигнальная труба монтируется в бачок только сбоку, в 10 см от верхнего края. У такой конструкции бака есть недостатки: во-первых, приблизительно 1 раз в 6 месяцев необходимо проверять наличие воды в расши­рителе, во-вторых, бачок следует утеплять, так как вода остыва­ет в нем и может замерзнуть при сильных морозах. В расширительный бак сложной конструкции (с циркуля­цией воды) вваривают 3-4 трубы (рис. 3). Подающая и обрат­ная трубы обеспечивают циркуляцию воды в баке, снижая веро­ятность ее замерзания. Трубы перелива и контроля регулируют уровень наполнения бачка. Когда система заполняется водой, на нижнем конце кон­трольной трубы открывают кран и, как только из него польется вода, заполнение системы останавливают, кран закрывают. Труба перелива функционирует в бачке сложной конструк­ции та же, как и в бачке без циркуляции воды.

Одноконтурная двухтрубная система отопления с верх­ней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя.

В такой системе котел устанавливают в начале контура, а трубную разводку выполняют слева и справа от него, опоясы­вая таким образом весь дом по периметру. При этом длина коль­ца по горизонтали не должна быть более 20 м. Чем длиннее кольцо, тем сильнее в нем гидравлическое сопротивление.

Двухконтурная двухтрубная система отопления с верх­ней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя.

В такой системе котел устанавливают в центре, а трубную разводку выполняют в обе стороны от него. При этом длина кольца по горизонтали не должна превышать 20 м. Кроме того, длина колец системы и количество секций радиаторов должны быть примерно одинаковыми. Это помогает обеспечить гидрав­лическую балансировку системы.

Двухтрубная система отопления с нижней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя.

В такой системе подающий трубопровод прокладывают снизу рядом с обратным (рис. 4), благодаря чему вода по пода­ющим стоякам двигается снизу вверх, а затем, пройдя через ра­диаторы, по обратным стоякам и подводкам поступает в обрат­ный трубопровод и в котел.

Рисунок 4. Схема двухтрубной системы отопления с нижней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя: 1 — подающий трубопровод; 2 — обратный трубопровод; 3 — сигнальный трубопровод; 4 — водопровод; 5 — кран Маевского.

Воздух удаляется из системы через краны Маевского, кото­рые устанавливаются на всех радиаторах, или через автоматиче­ские клапаны-воздухоотводчики.

Системы с нижней разводкой могут быть как одноконтур­ными, так и двухконтурными (рис. 5).

Рисунок. 5 Схемы одноконтурной и двухконтурной двухтрубной системы отопления с нижней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя: а, б — двухконтурные системы; в — одноконтурная система со встречным движением теплоносителя; г — одноконтурная система с попутным движением теплоносителя.

Чтобы избежать постоянного стравливания воздуха, систему можно оборудо­вать так называемыми воздушными трубопроводами, которые будут собирать воздух и выводить его в расширительный бак (рис. 6).

Рисунок 6. Схема системы отопления с естественной циркуляцией, нижней разводкой и отводящей воздушной линией: 1 — расширительный бак; 2 — воздушный трубопровод

Однако такая система не оправдывает себя, поскольку очень напоминает систему с верхней разводкой и требует такого же количества труб.

Однотрубная система отопления с естественной цирку­ляцией теплоносителя.

Такая система устраивается только с верхней разводкой по­дающего трубопровода. Обратные стояки в системе отсутству­ют. Однотрубные системы монтируются по двум схемам — про­точной и схеме с замыкающими участками. В проточной схеме подающий стояк отсутствует — радиато­ры по высоте дома последовательно соединены друг с другом. Горячая вода идет сверху вниз, течет через все радиаторы. В нижние приборы она поступает охлажденной, в результате чего в верхних комнатах дома тепло, а в нижних — холодно. Эта проблема устраняется установкой на нижних этажах радиато­ров с большим количеством секций.

Стоит отметить, что в проточной системе нет возможности установить регулировочные краны, поскольку перекрытие кра­на у любого из радиаторов приведет к тому, что вода перестанет поступать во все радиаторы, присоединенные к данному стояку. Также в такой системе исключена регулировка температуры воздуха в помещениях.

В схеме с замыкающими участками — байпасами — часть воды из стояка идет в верхние радиаторы. Оставшаяся вода по­ступает в нижние радиаторы. В такой системе вода почти не остывает, и разница температур в помещениях нижних и верх­них этажей небольшая.

Типовая система отопления дома.

Система квартирного отопления — это система с естествен­ной циркуляцией теплоносителя, предназначенная для обеспе­чения теплом одной или нескольких квартир на одном этаже. В такой системе центр котла расположен выше центра радиато­ров, поэтому гравитация в циркуляционном напоре отсутствует или имеет отрицательные значения. Вода в системе циркулиру­ет только за счет разности плотностей.

Чтобы заставить циркулировать теплоноситель, котел уста­навливают как можно ниже, трубы монтируют с уклоном, стояк с горячей водой утепляют до разводки, а последнюю размещают под потолком.

Система квартирного отопления (рис. 7) состоит из котла, который устанавливают, как правило, на кухне, главного стоя­ка, проложенного под потолком горячего подающего трубопро­вода, горячих стояков, нагревательных приборов, обратных стояков и обратного трубопровода.

Расширительный бак устанавливают в теплом помещении и соединяют с главным стояком. От расширительного бака про­кладывают трубу, которая служит одновременно переливной, сигнальной и воздушной, к кухонной раковине.

Рисунок 7. Схема отопления дома: а — общий вид; б — подсоединение труб к котлу; 1 — подающая труба; 2 — труба с функциями переливной, сигнальной и воздушной; 3 — водопровод; 4 — обратная труба