С насосной циркуляцией – удобный и практичный вариант решения вопроса теплоснабжения для дома. В отличие от конструкций, в которых циркуляция естественная, напор в контуре с принудительной схемой движения жидкости стабильный и достаточно сильный. Это дает возможность использовать трубы меньшего диаметра, не снижая скорость теплоносителя в системе отопления, облегчает выбор радиаторов и экономит деньги.

Системы с насосной циркуляцией — экономичный вариант отопления дома

Главная конструктивная деталь отопительного контура – циркуляционный насос. Он отвечает за водоснабжение бойлера, проталкивает нагретую воду по трубам от котла к радиаторам. Уже остывшая вода возвращается в котел по трубам обратки. В схеме обязательно присутствует расширительный бачок, который нормализует давление в трубах и принимает на себя излишний объем расширяющейся при нагреве воды. Благодаря насосу, обеспечивающему достаточную скорость движения воды, есть возможность подключить к магистрали не только горизонтальный, но и отопления. Низкие горизонтальные радиаторы отопления хорошо смотрятся в нишах под большими окнами, а вертикальный радиатор подойдет для вертикального проема, комнаты без окон.

Отопительные контуры системы с насосной циркуляцией

Отопительные контуры могут

• оснащаться горизонтальным либо вертикальным стояком
• быть двухтрубными и однотрубными
• с нижним и верхним типом разводки
• с попутной насосной циркуляцией и тупиковой

Горизонтальные и вертикальные стояки

Если трубы, соединяющие все отопительные приборы друг с другом, расположены в горизонтальной плоскости – это с горизонтальным стояком. Такой подход экономичнее, т.к. требует меньшего количества труб и требует меньше затрат в монтаже. Горизонтальный стояк отопления – магистраль, подающая горячую воду, чаще встречаются в одноэтажных зданиях с большой протяженностью, т.к. при такой планировке разумнее подключать радиаторы последовательно друг за другом.

Система отопления с горизонтальной разводкой труб

Подобная проектировка дает возможность устанавливать раздельный температурный режим комнат, использовать теплосчетчики. Минус конструкции – возникновение воздушных пробок в трубах. Для устранения этой проблемы устанавливают краны Маевского, чтобы выпускать образовавшиеся излишки воздуха.

Если схема отопления с насосом подразумевает подключение к общей магистрали радиаторов, которые располагаются на разных этажах, то это вертикальная стояковая система отопления. При такой схеме монтажа радиаторы, отапливающие одну квартиру, питаются от разных стояков, что делает затруднительным учет потребления тепла в отдельно взятой квартире. В вертикальном контуре отопления подающая магистраль проходит под потолком верхнего этажа или по чердаку, а все обогревательные приборы последовательно подключаются к главному стояку, который расположен вертикально и проходит через все этажи. Схемы этого типа применяются в многоэтажных жилых домах. К вертикальному стояку можно подключить каждый этаж отдельно, это пригодится, если дом вводится в эксплуатацию постепенно. Вертикальный стояк решает проблемы скопления воздуха в трубах, но монтаж такой конструкции более затратный.

Пример вертикальной схемы отопления частного двухэтажного дома

Стояк может проходить прямо через квартиру: пронизывая пол и потолок в каждой комнате или располагаться вне жилых помещений. При втором варианте он несет большие теплопотери, поэтому его «одевают» теплоизолирующим покрытием либо помещают в утепленную шахту. В контуре с вертикальным стояком невозможно соорудить теплые полы, сложно поддерживать требуемую температуру воздуха в разных помещениях. На верхних этажах теплее, чем на нижних, а стояки, которые расположены дальше от подающей магистрали, холоднее тех, что ближе.

Если напрямую к распределительному коллектору, и каждый из них имеет подающую трубу и трубу обратки, такая схема именуется коллекторная или лучевая. Данный подход дороже предыдущих вариантов, но используется в монтаже, т.к. дает возможность сократить использование фасонных элементов и сделать скорость теплоносителя одинаковой во всех контурах.

Разводка (нижняя и верхняя): схема автономной циркуляции

По типам разводки схемы отопления разделяют на конструкции, где разводка нижняя и верхняя. При нижней разводке подающая магистраль прокладывается в нижней части схемы движения теплоносителя, как и труба обратки. Расположены обе магистрали ниже обогревательных приборов. Такая конструкция имеет высокую гидравлическую устойчивость, удобна тем, что позволяет вынести вертикальные трубы стояков за пределы комнат. Все регуляторы контура (вентили, запорные механизмы) при такой компоновке находятся в одном помещении, как правило, это подвал или технический этаж.

Нижний тип разводки труб системы отопления

В здании с нижней разводкой отопление можно подключать последовательно, по мере постройки, не дожидаясь завершения строительства. Радиаторы могут быть с нижним подключением, что в сочетании со стояками, вынесенными за пределы комнат, делает внешний вид помещений более эстетичным.

Нижняя разводка отопительных труб экономит тепло, т.к. они не прокладываются в чердачных помещениях или межпотолочных пространствах. Недостаток такого типа отопления – необходимость устанавливать краны для стравливания воздуха на каждую батарею, а также постоянные воздушные пробки.

При верхнем типе разводки трубопровод с теплоносителем проходит в верхней части отопительного контура. Как правило, он расположен на чердаке или в пространстве между потолком и крышей. Трубы с обраткой монтируют ниже радиаторов отопления. В самом высоком месте контура помещают расширительный бачок. Он регулирует давление внутри конструкции и исключает появление воздушных заторов. Этот вид отопления нельзя установить в доме, где нет ската у крыши. Минус верхней разводки – отрицательное гравитационное давление в вертикальных трубах. Это мешает течению воды и снижает гидравлическую устойчивость. При верхней разводке нельзя слить стояки централизованно.

Кроме нижней и верхней разводки существует также смешанная: подающая магистраль проходит сверху, а обратный трубопровод в нижней части отопительной конструкции. Такой подход разумен, если многоэтажное здание имеет собственный автономный котел, расположенный под крышей.

Однотрубная и двухтрубная система: разомкнутый и замкнутый контур

Помимо типа разводки и расположения стояка вариации схем отопления делятся еще на однотрубные и двухтрубные. Однотрубные схемы встречаются довольно редко: их используют преимущественно при проектировании помещений большой площади. В жилых домах они не встречаются практически никогда.

Однотрубная система система отопления

В однотрубной системе нет подающего и обратного трубопровода, теплоноситель циркулирует по одной единственной трубе, которую делят пополам только мысленно, считая первую часть, доставляющую воду от котла, подающей, а оставшуюся половину трубы – обраткой. В однотрубной системе горячая вода, нагретая в котле, поднимается вверх, вытесняемая холодным потоком обратки и попадает по разводке в нагревательные приборы, перетекая из одного в другой, остывая и возвращаясь в котел для нагрева. Насосная циркуляция помогает правильному потоку жидкости по схеме.

Основная проблема схемы – потеря тепла теплоносителем: к последней батарее вода доходит едва теплой. Решается эта проблема установкой насоса и большего числа радиаторов по мере удаления их от котла. Помогает сберечь тепло установка труб таким образом, чтобы первыми радиаторами, куда попадает еще не остывшая вода из нагревательного элемента, были батареи, находящиеся в наиболее прохладных комнатах, которые требует больших энергозатрат для отопления.

Двухтрубная система отопления

Хотя однотрубные системы дешевле, большей популярностью пользуются состоящие из двух трубопроводов. Один доставляет горячую воду из котла в радиаторы, а второй собирает обратный поток остывшего теплоносителя и транспортирует назад в котел. , отличаются тем, что вода попадает во все радиаторы отопления с одинаковой температурой, проблема неравномерного обогрева не возникает. На каждый элемент отопления можно установить термостат и регулировать подачу тепла, что позволяет дополнительно экономить на обогреве помещения. Трубы для монтажа тоньше и выглядят более аккуратно, аккуратнее вписываясь в интерьер.

К слабым сторонам можно отнести необходимость установки на каждый обогревательный элемент запорной арматуры и крана Маевского. Тупиковые и попутные схемы Делят отопительные контуры и по принципу движения в них теплоносителя. Попутная система отопления подразумевает движение воды в подающей и обратной магистрали совпадают в направлении. Тупиковая система отопления предполагает, что вода в обратной магистрали движется в противоположном подающей направлении.

Тупиковая схема характеризуется не одинаковой длиной контурных колец радиаторов отопления. Чем дальше размещается радиатор от стояка, тем больший путь проделывает вода, перемещаясь от котла к радиатору и обратно. Чем дальше отопительный элемент от нагревательного, тем длиннее его контур. Попутная схема отопления – схема, где реализована максимальная тождественность величины сопротивления материала, а длина труб отопления, образующих контурные кольца, одинакова. Одинаково и напряжение в контурах, что делает распределение сопротивления по отопительной . Минус попутной насосной циркуляцией – более ощутимая стоимость, потому что нужно купить большее количество труб. В завершении стоит вспомнить все положительные стороны схем с насосом, из-за которых им отдают предпочтение:

1. Такая система запускается в короткий срок
2. Контур с насосом работает без потерь, обеспечивая эффективный прогрев помещения
3. Насосы долговечны и работают без ремонта долгий срок
4. Насос не производит шума и потребляет мало электричества

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Системы отопления с насосной циркуляцией очень эффективны. Преимущества систем отопления с насосом преобладаю на недостатками.

Надёжная работа парового котла возможна при условии непрерывного отвода теплоты, передаваемой газами поверхности нагрева. Теплота отводится нагреваемой средой, т.е. водой, паром или пароводяной смесью. Хороший отвод теплоты нагреваемой средой обеспечивается при правильной организации циркуляции.

Циркуляция – многократное движение воды по замкнутому контуру.

Контур циркуляции – замкнутая система непрерывного движения воды и пароводяной смеси по трубам, подключённым к паровому и водяным коллекторам котла.

Непрерывное движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре водотрубного котла осуществляется вследствие разности их плотностей (естественная циркуляция ) или с помощью циркуляционных насосов (принудительная циркуляция ).

Контуры циркуляции бывают независимыми и смешанными . У независимого контура циркуляции опускные трубы обслуживают только свой контур, а у смешанного – опускные трубы питают водой подъёмные трубы нескольких контуров.

В водотрубном паровом котле (рис. 6.1) вода из пароводяного коллектора 4 по опускным трубам 2 и 5 , наиболее удалённым от топки и получающим меньше теплоты, поступает в водяные коллекторы 1 и 7 . Опускные трубы 5 являются обогреваемыми, 2 – необогреваемыми. Первые получают теплоту, идущую на подогрев воды, а вторые теплоту практически не получают. Трубы 6 конвективного пучка и трубы 3 экрана, воспринимающие больше теплоты, являются подъёмными – по ним движется в коллектор 4 образующаяся пароводяная смесь. В пароводяном коллекторе происходит разделение пара и воды, смешение питательной воды с котловой и организация поступления воды в опускные трубы. У большинства котлов все конвективные пучки труб подъёмные, а опускные необогреваемые трубы размещаются за первым рядом бокового экрана или в воздушных коробах фронта котла, т.е. вне топки.

Во вспомогательном огнетрубном котле и утилизационном газотрубном котле, относящихся к котлам с неорганизованной циркуляцией, процесс циркуляции осуществляется благодаря восходящим потокам на участках поверхностей нагрева наиболее обогреваемых и нисходящим потокам – на необогреваемых или слабообогреваемых участках.

Расход воды через циркуляционный контур превышает количество образующегося в нём пара.

Кратность циркуляции – отношение расхода циркулирующей воды к паропроизводительности контура:

Кратность циркуляции показывает, сколько раз должна пройти по контуру определённая масса воды, чтобы полностью превратиться в пар.

k ц = 20 – 70 в ГК

k ц = 20 – 40 в ВК

k ц = 2 – 10 в УК с принудительной циркуляцией.

Движущий напор циркуляции – разность масс столбов воды и пароводяной смеси соответственно в опускных и подъёмных трубах контура.

Высота подъёмной трубы складывается из экономайзерного участка h э (рис. 6.2), в котором вода, поступающая из водяного коллектора, доводится до кипения, и участка h п, называемого высотой паросодержащей части. На участке h п происходит парообразование и восходящее движение пароводяной смеси. Движущий напор зависит от высоты паросодержащей части и разности плотностей воды и пароводяной смеси, находящихся практически при одинаковой температуре.

Полезный напор циркуляции – разность между значениями движущего напора и сопротивлений движению в подъёмных трубах.

Скорость циркуляции – скорость входа воды в подъёмные трубы контура [т/ч]. В зависимости от расположения пучков труб по отношению к источнику теплоты значения скорости циркуляции составляют 0,3 – 1,5 м/с.

Застой циркуляции – замедление или прекращение движения пароводяной смеси вверх. Это явление возникает в случае неравномерного обогрева или загрязнения парообразующих труб, расположенных в одном ряду. При застое циркуляции в менее нагретых трубах образуется свободный уровень воды. По участку труб, расположенному выше свободного уровня, будет медленно двигаться пар, а не пароводяная смесь. Нормального отвода теплоты от стенки обогреваемой трубы не будет и произойдёт аварийный перегрев металла.

Опрокидывание циркуляции – явление, при котором в подъёмных трубах, получающих по сравнению с другими трубами ряда меньше теплоты, происходит выделение пара и его подъём с одновременным опусканием воды. Причины и последствия опрокидывания те же, что и при застое циркуляции.

В горизонтальных трубах и трубах с небольшим уклоном к горизонту возможно расслоение пароводяной смеси . При движении пароводяной смеси с небольшой скоростью пар, имеющий меньшую плотность, чем вода, поднимается и отделяется от воды, в результате чего возникает раздельное движение по трубе воды и пара. Это приводит к перегреву участков труб, омываемых паром. Расслоение пароводяной смеси усиливается с увеличением диаметра труб, снижением скорости движения среды, повышением давления пара.

Кавитация – явление, при котором во входном сечении опускной трубы происходит парообразование. Оно может наступить, если статическое давление в этом сечении окажется меньше давления в пароводяном коллекторе. При кавитации нарушается нормальное поступление воды в опускные трубы, следовательно, и в подъёмные. Образующиеся паровые пузырьки и их конденсация вызывают в трубах гидравлические удары, которые могут быть причиной образования трещин в трубах. Для предотвращения кавитации следует поддерживать уровень воды в пароводяном коллекторе не менее чем на 50 ммвыше верхней кромки входного сечения опускных труб.

С целью обеспечения надёжной циркуляции необходимо содержать в чистоте поверхности нагрева, не допускать резких колебаний давления пара, поддерживать нормальный уровень воды в пароводяном коллекторе, особенно при качке, а также не допускать модернизационных мероприятий без предварительной оценки надёжности циркуляции для нового варианта котла.

Как отмечают грамотные инженеры, главным минусом системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя можно назвать низкий напор циркулирующей жидкости, в результате чего необходимо заботиться об увеличенном диаметре труб. При этом стоит лишь слегка ошибиться с диаметром при установке подходящей трубы, как теплоноситель уже не сможет преодолеть гидравлического сопротивления.

Чтобы вновь восстановить работоспособность системы отопления, вам необязательно потребуется совершать слишком большой объём работы. Достаточно лишь включить в схему циркуляционный насос и перенести расширяющий бачок с передачи на обратку. Хотя, при этом стоит заметить, что второй пункт выполнять всегда вовсе не обязательно. При простой переделке, к примеру, квартирной, бачок можно оставить на месте и не трогать. Если же система переустанавливается глобально, то бачок заменяется с открытого на закрытый и переносится на обратку.

Вообще, стоит упомянуть и ещё об одном случае в котором вам способен помочь циркуляционный насос. Владельцы частного дома, обладающие собственной системой отопления, могут столкнуться с тем, что тепло по их дому распределяется неравномерно. В комнатах, которые расположены дальше от котла может быть просто холодно зимой, так как эти комнаты недостаточно прогреваются. Конечно, тут можно и заменить всю отопительную систему , установив новую с трубами более широкого диаметра. Но как показывает практика, этот способ гораздо более дорогостоящ и не совсем оправдан.

О типах насосов и их питании

Для бытовых систем отопления используются насосы с энергопотреблением в 60-100 ватт. Это сравнимо с обычной электрической лампочкой. Из-за чего столь низкое потребление энергии? Дело в том, что циркуляционный насос не поднимает воду , а только помогает преодолеть ей местное сопротивление в отопительных системах. Попросту говоря, насос циркуляционного типа можно сравнить с винтом корабля. Винт обеспечивает движение корабля, толкая воду, однако воды в океане при этом не убавляется, сохраняется баланс.

Однако, тут кроется свой минус. При длительном отключении электричества, владельца дома может ждать крайне неприятный сюрприз. Перегрев теплоносителя может вызвать разрушение контура, а остановка циркуляции поведёт за собой и последующую разморозку.

Поэтому при отключении электричества должна оставаться возможность для функционирования системы на условиях естественной циркуляции. Для этого необходимо минимизировать всевозможные повороты и изгибы в контуре , а также важно использование в качестве запорной арматуры именно современных шаровых вентилей. В отличие от своих винтовых собратьев, они оказывают минимальное сопротивление току жидкости в открытом виде.

В схему системы отопления могут быть включены два типа насосов:

• циркулярные;
• повысительные.

Циркуляционный насос толкает воду, при этом сколько бы он её ни вытолкнул, с другой стороны к нему поступит такое же количество воды. Опасения, что насос может вытолкнуть теплоноситель через открытый расширитель необоснованны. Системы отопления имеют замкнутый контур и количество воды в них всегда одинаковое.

В системы централизованного отопления также могут быть включены повысительные насосы , которые называть насосами будет более корректнее, так как они и поднимают воду при помощи повышения давления. Приведём аналогию с вентилятором. Сколько бы обычный вентилятор ни гонял воздух по квартире, количество воздуха не изменится. Образуется лишь лёгкий ветерок и циркуляция воздуха. Атмосферное же давление останется прежним.

Важные нюансы эксплуатации

В результате использования насосной циркуляции воды увеличивается радиус действия системы отопления, а диаметры труб уменьшаются. Появляется возможность присоединения к котлам с повышенными параметрами. Для того чтобы обеспечить постоянную циркуляцию воды требуется установить не менее двух таких устройств. Один будет основным, рабочим, а другой - резервным.

В отопительной системе подобный насос постоянно заполнен водой и испытывает гидростатическое давление с двух сторон - со стороны всасывающего и нагнетательного (выходного) патрубков.

Насосы, сделанные с водяной смазкой подшипников, тем не менее можно размещать на подающем и обратном трубопроводе. Однако наиболее частое их использование можно обнаружить на обратке. Хотя это и происходит скорее по привычке, потому что раньше имело смысл ставить циркуляционный насос на обратке потому, что при размещении в более холодной воде срок службы подшипников увеличивался. Теперь же, если судить объективно, место установки не имеет существенного значения.

Тем не менее, чтобы воздушные пробки не оставили подшипники без охлаждения и смазки, вал двигателя должен располагаться строго горизонтально. Да, конструкция устройства такова, что ротор и вал с подшипниками должны непрерывно охлаждаться , чтобы не произошёл непредусмотренный сбой в работе. На корпусе данного оборудования обычно обозначают стрелку, показывающую направление по которому должен двигаться теплоноситель в системе.

Крайне желательна, но необязательна, установка перед насосом грязевика. Функция этого оборудования заключается в отфильтровывании неизбежного песка и прочих абразивных частиц. Они способны разрушить крыльчатку и подшипники. Так как диаметр врезки обычно достаточно невелик , то подойдёт и обычный фильтр грубой очистки. Бочонок для сбора взвесей должен быть направлен вниз - так даже при частичном заполнении водой он не будет препятствовать её циркуляции. Фильтры также зачастую снабжены стрелкой. Если вы проигнорируете её, то чистить фильтр придётся намного чаще.

Резервный источник питания

Когда система отопления установлена по принципу принудительной циркуляции, то имеет смысл позаботиться также и об резервном источнике питания. Обычно, его устанавливают с расчётом на то, что его работы хватит на пару часов в случае отключения электричества. Примерно такого количества времени обычно хватает специалистам для установки причины аварийного отключения тока и восстановления функционирования. Чтобы продлить время работы резервного источника питания, вам понадобятся внешние аккумуляторы , которые подключаются к нему.

Термостойкий кабель

При подключении электрического оборудования, в систему отопления нужно исключить вероятность попадания влаги или конденсата в клеменную коробку. Если теплоноситель разогревается в системе отопления более чем на 90 градусов, то используется термостойкий кабель. Соприкосновение кабеля со стенками труб, корпусом насоса, двигателем ни в коем случае не допускается. С левой или правой стороны к клеменной коробке подключается кабель. При этом переставляется заглушка. Если расположение клеменной коробки боковое, то кабель подводят исключительно снизу. При этом естественной мерой безопасности является обеспечение заземления.

Байпас

Популярна схема установки циркулярного насоса на байпасе, который отсекается от основной системы при помощи двух кранов. Такая установка может помочь произвести ремонт или замену устройства без ущерба для всей отопительной системы дома. В межсезонье всё может функционировать и без насоса, который перекрывается при помощи всё тех же вентилей. С приходом морозов его работа возобновляется. Достаточно открыть запорную арматуру по краям и закрыть шаровой вентиль, расположенный на основном контуре.

Особенности выбора

Для благополучного отопления дома, как правило, не имеет смысла покупать огромный прибор с заоблачной мощностью. Подобный аппарат будет создавать огромное количество шума. Жильцам частного дома это будет неприятно. Помимо прочего и стоить он будет на порядок дороже. В плане обеспечения тепла при отоплении же подойдёт и более дешёвый, меньший по мощностям вариант. Поэтому и надобность в мощном насосе по сути отпадает для бытовых случаев.

Однако важно рассчитать необходимую для вас мощность. Важными параметрами является диаметр трубопровода, температура воды и уровень напора теплоносителя. Для того чтобы рассчитать уровень расхода теплоносителя, его нужно сравнить с показателем расхода воды для котла. Требуется знать какова мощность котла. Какое количество теплоносителя может пройти через его систему в минуту.

Показатели мощности циркуляционного насоса напрямую зависят от длины трубопровода. Если говорить напрямую, то на десять метров отопительной системы вам потребуется полметра насосного напора.

Классифицировать помпы принято на два типа:

• сухие;
• мокрые.

Первые во время работы не соприкасаются с теплоносителем, а вторые погружены в него. Сухие помпы обычно достаточно шумные , поэтому такой тип помп подходит для установок:

• на фирмах;
• в производственных цехах;
• на предприятиях.

Второй тип подходит для того чтобы устанавливать их в загородные дома. В правильном варианте их корпуса делаются из бронзы или латуни, с нержавеющими деталями.

Завершение установки

После завершения монтажных работ система заполняется водой. Удаляется воздух путём открытия центрального винта на крышке корпуса. Как только появится вода, то это будет сигнализировать о том, что воздушные пузырьки удалены из устройства. И теперь насос можно запускать в рабочий режим.

Правильно установленный циркуляционный насос в вашей системе отопления поможет согреть ваш дом очень эффективно. Но важно помнить всю сложность системы насосного типа. Возможно, гораздо более благоразумным решением будет обратиться к услугам грамотных профессионалов , которые помогут вам в установке и выборе оборудования. Сломать систему отопления неправильной эксплуатацией может выйти гораздо дороже по деньгам, чем обратиться к квалифицированному специалисту.

Если же вы решили, что достаточно разбираетесь в нюансах отопления вашего дома, то будьте внимательны к деталям, внимательно изучите схему установки циркуляционного насоса, составьте точный план действий, в том числе и в непредвиденной ситуации и не забудьте о мерах безопасности.

Принцип работы циркуляционного контура

Движение продуктов сгорания по газоходам котла осуществляется за счет разряжения, создаваемого дымососом. В верхней части топки разряжение составляет не более 30 мм водяного столба, а перед дымососом 200 мм. Поэтому для устранения присосов холодного воздуха по длине газохода обмуровку котла тщательно уплотняют. Воздух необходимый для горения, через воздухоподогреватель подается в топку котла с помощью дутьевого вентилятора. Питательная вода, прошедшая предварительную подготовку подается в экономайзер, где подогревается до температуры насыщения, а затем подается в барабан котла. В барабане она смешивается с котловой водой, затем по опускным трубам попадает в нижний коллектор, из которого по подъемным экранным трубам вода, а затем пароводяная смесь, поднимается обратно в барабан. В барабане происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Пар скапливается в верхней части барабана, а затем направляется в пп, где нагревается до заданной температуры. Вода находящиеся в нижней части барабана, снова направляется в опускные трубы. Этот замкнутый контур состоящий из барабана опускных труб нижнего коллектора и подъемных экранных труб называется циркуляционным контуром котла

Движение воды в опускных и пароводяной смеси в испарительных обогреваемых трубах происходит за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси. Пароводяная смесь образ в подъемных трубах за счет теплоты, излучаемым факелом и раскаленными продуктами сгорания. Поднимаясь в барабан, пароводяная смесь разделяется на пар и воду, при этом пар скапливается в верхней части барабана, а оставшая вода подается обратно в опускные трубы, по которым спускается в нижний коллектор, и далее направляется в подъемные трубы. В циркуляционном контуре вода находится в состоянии насыщения. Высота контура для котлов различной производительности сильно отличается. Для котлов низкой производительности она составляет от 3 до 5 м, для котлов средней производительности до 12 м и котлов высокой производительности 30-40 м. в результате такой значительной высоты вода в нижней части контура имеет некоторый недогрев за счет статического давления столба воды.

ПРИМЕР. Котел с давлением 13 атм, высота контура 10 м. Значит давление в нижней части будет 14 атм. Давлению 13 атм соответствует температура насыщения 194 градуса С, а давлению 14 атм – 197 градусов С. Таким образом, в нижнем коллекторе температура котловой воды будет на 3 градуса ниже температуры насыщения. Поэтому в нижней части подъемных труб происходит нагрев воды до температуры насыщения. Испарения здесь не происходит и поэтому эту часть называют экономайзерной частью. По высоте обогревательных труб становится меньше, а паросодержание растет.

Движущая сила естественной циркуляции определяется:

S дв = H*(ρ 1 – ρ пв)*g H-высота контура; ρ 1 - плотность воды в опускных трубах; ρ пв - средняя плотность пароводяной смеси

Напор естественной циркуляции может достигать до 0,5-0,8 атм. Котлы, работающие за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси, называются котлами с естественной циркуляцией . Если движущей силы циркуляции не достаточно для обеспечения заданной кратности в котле, то тогда в циркуляционный контур устанавливают дополнительный циркуляционный насос. Такие котлы называются котлами с многократно принудительной циркуляцией . В тех случаях, когда в котлах очень высокое давление и разность плотностей воды и пароводяной смеси становится незначительной, а высокая температура не позволяет использовать циркуляционный насос для получения пара, используют прямоточные котлы, в которых отсутствует контур циркуляции.

Циркуляцией воды называется движение воды по замкнутому контуру. В состав контура циркуляции, в общем случае, входят такие конструктивные элементы котлов, как барабаны, коллекторы, обогреваемые и необогреваемые трубы поверхностей нагрева. Вода может проходить по контуру многократно либо однократно, двигаясь через поверхности нагрева от входа к выходу.

В зависимости от причин, которые вызывают движение воды циркуляция подразделяется на естественную и принудительную.

Естественная циркуляция осуществляется в паровых котлах, так как движущий напор в контуре создается разностью плотностей воды и пара. При этом каждый кг воды может постепенно превращаться в пар, многократно проходя через контур, либо превращаться в пар за один проход через поверхность нагрева.

Принудительная циркуляция воды производится с помощью насоса. Она применяется в водогрейных котлах и водяных экономайзерах и является прямоточной.

При любом виде циркуляции и способах ее организации вода и пар, образующийся в контуре, должны надежно охлаждать металл, что необходимо для безаварийной работы котлов.

Естественная циркуляция воды в паровых котлах. Рассмотрим принцип действия естественной циркуляции на примере контура циркуляции бокового экрана топки (рис. 10).

Рис. 10. Схема простейшего контура естественной циркуляции:

1 - коллектор; 2 - опускная труба; 3 - верхний барабан; 4 - экранные (подъемные) трубы.

Питательная вода вводится в верхний барабан котла 3. Из него вода опускается по опускной трубе 2 и входит в коллектор 1. На этом участке контура теплота к воде не подводится (труба теплоизолирована шамотной стенкой) и температура воды остается ниже температуры насыщения при данном давлении пара в котле.

Из коллектора вода поступает в обогреваемые трубы экрана 4 и, поднимаясь по ним, нагревается до кипения, кипит и частично превращается в пар. Образовавшаяся пароводяная смесь вводится в барабан, где разделяется на воду и пар. Пар покидает котел, а вода смешивается с питательной водой и вновь поступает в контур циркуляции.

Участок подъемных труб, где вода нагревается до кипения, называется экономайзерным, а содержащий пар - паросодержащим. Высота последнего в несколько раз превышает высоту экономайзерного участка.

На экономайзерном участке вода движется с постоянной скоростью, а на паросодержащем участке она постоянно возрастает, так как количество образующегося пара в подъемных трубах непрерывно увеличивается. Скорость, которую вода имеет на экономайзерном участке, называется скоростью циркуляции. По причине своего постоянства скорость циркуляции является одной их важных характеристик естественной циркуляции. Ее величина составляет, примерно, 0,5 - 1,5 м/с.

Наличие в контуре участков со средами, имеющие разные плотности, создает в контуре разность давлений или движущий напор циркуляции. Давление в опускных трубах создается столбом воды с плотностью r В, а в подъемных трубах - столбом воды и пароводяной смеси с плотностью r СМ . Поэтому более плотная среда вытесняет менее плотную и в контуре создается круговое движение воды. Величина движущего напора определяется зависимостью вида:

S ДВ = h ПАР (r В - r СМ) g Па, (7.1)

где h ПАР - высота паросодержащего участка подъемных труб; g - ускорение свободного падения.

Из выражения движущего напора следует, что для циркуляции недостаточно иметь среды с разной плотностью. Необходимо также, чтобы паросодержащие трубы располагались вертикально.

За один проход по контуру только часть воды превращается в пар. Поэтому для характеристики интенсивности испарения воды используется понятие кратности циркуляции:

k = М /Д, (7.2)

где М - расход воды через опускную трубу, кг/ч; Д - количество пара, образующегося в обогреваемых трубах, кг/ч.

Таким образом, кратность циркуляции показывает, сколько раз один кг воды должен пройти через контур, чтобы превратиться в пар. Для экранов k = 50 - 70, для конвективных пучков k = 100 - 200.

Величина, обратная кратности циркуляции, характеризует степень сухости влажного пара х = 1/k. Отсюда можно сделать вывод о том, что в экранах образуется пароводяная смесь, содержащая не более 0,02 или 2 % пара. Поэтому даже самые теплонапряженные поверхности нагрева котлов, которыми являются экраны, надежно смачиваются и охлаждаются водой.

В конвективных пучках все трубы обогреваются газами, температура которых при прохождении через пучок непрерывно снижается. Поэтому в кипятильных трубах по ходу движения газов паросодержание также уменьшается, а плотность пароводяной смеси возрастает. Наличие в трубах пучка пароводяной смеси с разной плотностью создает движущий напор, который движит воды по следующей схеме: из верхнего барабана вода поступает в задние трубы пучка и по ним поступает в нижний барабан котла; из барабана вода входит в остальные трубы пучка и вместе с паром поступает в верхний барабан.

Принудительная циркуляция. Принудительная циркуляция применяется в водогрейных котлах, а также в экономайзерах паровых котлов. Движение воды по трубам поверхностей нагрева производит насос. Вода входит в поверхности нагрева холодной, а покидает ее горячей, совершая в котле прямоточное движение. Кратность циркуляции воды равна единице.

Для создания прямоточного движения воды поверхности нагрева котлов изготавливаются в виде отдельных панелей, которые соединяются между собой последовательно или параллельно. Панель выполняется из одного ряда труб, концы которых замкнуты на нижний (распределительный) и верхний (собирающий) коллекторы. При этом трубы могут иметь как прямую (в основном), так и змеевиковую конфигурацию.

При параллельном подсоединении труб к коллекторам вода проходит по трубам неодинаковыми расходами, что обусловлено различиями в гидравлических сопротивлениях труб и неравномерным обогревом труб газами. Поэтому в отдельные трубы воды поступает меньше, чем это нужно для надежного охлаждения металла. Возможно даже вскипание воды в отдельных трубах, что еще в большей степени уменьшает поступление воды в такие трубы.

Движение воды в трубах может быть как подъемным, так и опускным. Однако во избежание вскипания воды ее скорость принимается не менее 0,5-1 м/с. По тем же причинам перепад давления воды в котлах не должен быть более 0,2 МПа.