Паровые котлы с естественной циркуляцией. Схема отопления частного дома с естественной циркуляцией – неэстетично, но практично Естественное водяное отопление
Система отопления с естественной циркуляцией (с использованием гравитационного давления) применяется в частных домах. Основным достоинством такой системы является практически полная независимость от энергоснабжения дома.
Циркуляция воды (теплоносителя) в такой системе обусловлена гравитационным давлением. Условиями возникновения такого давления являются разность температуры воды и взаимное расположение по высоте котла и приборов отопления (батарей и т.п.).
На примере простейшей системы можно понять принцип работы системы. Нагретая котлом вода, как известно, расширяется и ее плотность (удельный вес) уменьшается. Поскольку она становится легче холодной воды, она, как масло, всплывает наверх. Ее место в котле занимает холодная вода и тоже подвергается нагреву.
Разумеется, что этот процесс возможен только в замкнутой системе. В приборах отопления нагретая вода охлаждается, становится тяжелее, и, как следствие, стремится вниз, активно помогая циркуляции. Система всегда стремится к равновесию. Об этом нельзя забывать, рассматривая те или иные варианты.
Таким образом, гравитационное давление зависит от разности температур. А как влияет расстояние по вертикали? На рисунке мы видим, что батарея находится несколько выше котла. Именно в батарее вода охлаждается, становится тяжелее. Поскольку охлажденная вода находится выше нагретой в котле, она естественным образом стремится вниз и вытесняет из котла нагретую воду, занимая ее место.
В других условиях, когда батарея находится на уровне котла (как правило, уровни определяются по центрам котла и батареи), уровень охлажденной воды в батарее находится на том же уровне, что и холодная вода в котле.
Результат очевиден: гравитационное давление снижается, ухудшается и циркуляция. Ровно настолько, чтобы только поддерживать уровень более холодной воды в батарее на уровне воды такой же температуры в котле.
Однако, система еще остается работоспособной, и батарея продолжает отдавать тепло. Котел продолжает работу, охлажденная вода в батарее еще имеет достаточно высокую температуру, и создается эффект полного прогрева батареи.
Но совсем иначе обстоят дела, когда батарея находится ниже котла. Ее температура невысока, а охлажденная вода не может вытеснить горячую воду из котла, поскольку она уже ниже его. Гравитационное давление на грани исчезновения, циркуляция практически исчезает.
Возникает парадоксальная ситуация: батарея холодная, а поднимать температуру котлом уже нельзя, он и без того на грани закипания. Вот такая зависимость гравитационного давления от высоты расположения батарей относительно котла.
А как выглядит система с естественной циркуляцией с математической точки зрения? Вернемся к нашему первому варианту и рассмотрим давление столба воды высотой H в области котла (P кот) и в области батареи (P бат).
Давление в области батареи будет опреляться формулой:
а давление такого же столба воды в котле:
Действующее гравитационное давление при этом будет равно разности давлений:
- p o – плотность охлажденной воды, кг/м3;
- p г – плотность горячей воды, кг/м3;
- g – ускорение свободного падения, 9.81 м/с2;
- h – расстояние по вертикали от центра нагрева до центра охлаждения (от середины высоты котла до середины нагревательного прибора), м.
Исходя из вышеизложенного можно с уверенностью сказать, что от расположения подающей трубы с горячей водой гравитационное давление очень мало зависит, ведь труба не является основным охлаждающим элементом в системе. Она влияет на давление ровно настолько, насколько она способна охлаждать воду.
Поэтому иногда стояки от котла к верхней подающей трубе вместе с нею утепляют, а от подающей трубы к батарее воду подают трубой увеличенного диаметра без изоляции, что вполне оправдано. Таким образом сохраняют высокую температуру по всей длине подающей горизонтальной трубы и создают охлаждение в подающем стояке.
В результате небольшого охлаждения в трубе средняя точка прибора охлаждения несколько повышается, что ведет к некоторому повышению действующего гравитационного давления в системе с естественной циркуляцией.
Надежность работы естественной циркуляции в системе отопления зависит также от общего сопротивления движению воды в системе, а также и от схемы ее построения.
Система водяного отопления позволяет подавать разогретый теплоноситель к радиаторам, которые могут быть расположены как угодно внутри здания. Это дает возможность очень гибко распределять тепловую энергию по всему дому в зависимости от необходимости. А котел может располагаться в любом подсобном помещении.
Нужно заметить, что водяное отопления весьма сложное, и в его создании должны участвовать специалисты – теплотехники, проектировщики, монтажники… Создание такой системы своими руками возможно, скорее, для небольших частных домов с использованием, так называемых, «народных» рекомендаций.
Принцип работы водяного отопления с самотечным движением теплоносителя
Водяное отопление можно классифицировать по степени сложности.
Простейшая схема основывается на саморецеркуляции теплоносителя. Трубопроводы и радиаторы размещаются таким образом, что бы в них создавался естественных ток воды. Это движение возникает за счет разности масс теплой и холодной жидкости. Как известно теплая жидкость (или газ) легче холодной и поднимается вверх, а холодная – опускается вниз.
Направление циркуляции воды следующее.
Нагретая в котле вода поднимается в самую высокую точку системы, откуда, по подающему трубопроводу опускается в радиаторы. Остывая в радиаторах, она движется по ним вниз к обратному трубопроводу, по которому возвращается снова в котел.
Что бы самотечная система водяного отопления функционировала нормально, необходимо, что бы в ней поддерживалась достаточно большая скорость движения жидкости. Для этого система должна соответствовать нескольким требованиям.
Требование к самотечному водяному отоплению
- Известно, что для поддержания нормальной скорости теплоносителя, разница температур между подачей (горячей трубой выходящей из котла) и обраткой (холодной трубой подводящей к котлу остывший теплоноситель) должна быть минимум 25 градусов. Система водяного отопления с самотечной подачей воды является саморегулирующейся. Чем холоднее в доме, и чем быстрее остывает вода, — тем выше ее скорость и больше скорость теплообмена между котлом и радиаторами. Теплоноситель отдает больше энергии в комнаты. Если остывание воды не значительное, — ее скорость движения уменьшиться, а температура поднимется. Это должно в свою очередь приводить к уменьшению энергоотдачи от котла за счет его регулирования автоматикой.
- Должно соблюдаться правило соотношения уровней котла и отопительных приборов. Греющая зона котла должна быть ниже центральной оси радиаторов, что бы холодная вода естественным образом стремилась в саму низкую точку, — к входу котла. Что бы выполнить это условие котлы в самотечной системе размещают как можно ниже, — или в приямке, или в подвальном помещении.
- Горячий и обратный трубопровод должны иметь разность высот начальной и конечной точек движения воды. Это значение должно быть таким, что бы средний уклон трубопроводов по ходу движения воды был не меньше чем 1:100. Конечно, по длине трубопроводы могут иметь какие угодно уклоны и изгибы, здесь речь идет только о среднем уклоне.
- Расстояние от котла до самого удаленного радиатора не должно превышать 30 метров (для уверенной работы системы, — рекомендуется не более 15 метров). Это требование вытекает из наличия сопротивлений движению воды. Только при указанных расстояниях (длинах трубопроводов) гидравлическое сопротивление трубопроводов не будет существенным препятствием для самоциркуляции воды.
- Также, с целью уменьшения гидравлического сопротивления, применяются трубопроводы повышенного диаметра и радиаторы с большой пропускной способностью. Рекомендуемые минимумы диаметров трубопроводов:
— на выходе из котла до расширительного бака – 50 мм;
— на разводку группы радиаторов 4 – 8 шт. (подача и обратка) – 40 – 32 мм;
— на подключение одного радиатора – минимум 20 мм. - Вся система должна быть полностью заполненная водой. В ней не должно находиться воздуха. Только в этом случае возможно нормальное движение воды. Для обеспечения работоспособности, в систему вводится расширительный бачок, который устанавливается в самой верхней точке. В этом баке сохраняется резерв воды системы, а также к нему подводится технический трубопровод, через который, в случае превышения уровня воды при нагревании, осуществляется ее сброс в канализацию.
}