Co je nucený oběh?

Postupem času se topný systém s nuceným oběhem stává stále populárnějším ve srovnání se schématy, kde se chladicí kapalina pohybuje přirozeně. Existuje pro to mnoho důvodů, které podrobně probereme v tomto článku. Také zde budou prezentovány příklady a odrůdy čerpacích okruhů pro soukromé domy různých výšek.

Co zajišťuje nucený oběh?

Všechny výhody systémů ohřevu vody, kde chladicí kapalina cirkuluje s nuceným impulsem, poskytuje jeden jednoduchý prvek – čerpadlo. Je umístěn na přívodním nebo vratném potrubí přímo u kotle, v důsledku čehož se výrazně zvyšuje rychlost pohybu vody potrubím. Pokud je během gravitačního proudění rychlost chladicí kapaliny 0.1–0.3 m/s, pak se po instalaci čerpadla zvýší na 0.7–1 m/s. To poskytuje mnoho výhod.

Pro odkaz. Existuje názor, že oběhové čerpadlo by mělo být instalováno pouze na vratném potrubí. To platí pouze pro systémy s kotlem na tuhá paliva, kde se v případě nouze může do jednotky dostat pára. V ostatních případech může být čerpadlo instalováno i pro napájení.

Podívejme se tedy na všechny výhody systému nuceného oběhu:

• rychlost vody se zvýšila – její průtok se zvýšil, což znamená, že průměr potrubí lze zmenšit;
• doba zahřívání všech radiátorů je snížena, nedochází k setrvačnosti;
• velká délka větví a dálnic, výběr vhodného způsobu jejich pokládky. Hlavní věc je, že čerpadlo vyvíjí požadovaný tlak;
• Sklony tras lze omezit na minimum. Jsou potřeba pouze k vyprazdňování potrubí;
• při instalaci uzavřeného typu systému lze expanzní nádobu umístit do kotelny.

Výčet dalších výhod je velmi rozsáhlý, není třeba je všechny vyjmenovávat. Stojí za zmínku důležitý bod: systém nuceného oběhu vám umožňuje instalovat typ vytápění, jako jsou vytápěné podlahy v soukromých domech. Jsou tu ale jen 2 nedostatky, ale jeden z nich hraje důležitou roli. Jedná se o závislost vytápění budovy na dostupnosti elektřiny. Vypnuli – čerpadlo se zastavilo – baterie vychladly.

Existuje i horší scénář. Kotel na tuhá paliva se po výpadku proudu rychle přehřeje a uvaří a následně dojde k výbuchu. Proto musí být nucený oběh vždy zajištěn nepřerušitelnými zdroji energie nebo generátorem, aby otopný systém nadále normálně fungoval.

Druhou nevýhodou je, že běžící čerpadlo spotřebovává malé množství elektřiny a někdy vydává hluk. Tyto nuance jsou však nevýznamné ve srovnání s počtem možností schémat vytápění, které vám umožňuje implementovat nucený pohyb chladicí kapaliny. Zde je jejich seznam:

• jednotrubkové;
• dvoutrubkový;
• kolektor (radiální);
• vodou vyhřívané podlahy.

Poznámka. Systém může být také otevřený s atmosférickou expanzní nádobou nebo uzavřený pomocí membránové nádoby.

Prvky vynuceného schématu

Nejprve pár slov o instalaci expanzní nádrže. Když je průtok vody potrubím zajištěn čerpadlem, jsou dvě možnosti: instalovat otevřenou nebo uzavřenou membránovou nádrž (expanzomat). Častěji se používá druhá možnost – uzavřený systém s expanzní komorou. Důvodů je několik:

• chladicí kapalina se neustále odpařuje přes otevřenou nádobu;
• otevřený systém je nasycen kyslíkem z atmosféry, což vede ke korozi prvků ocelové sítě a částí kotle;
• otevřená nádrž musí být umístěna v podkroví a musí být sledována hladina vody v ní. Pokud to není možné, je zásobník instalován v kotelně u stropu.

Expanzní nádoba s membránou je obvykle umístěna na vratném potrubí před vstupem vody do kotle a oběhového čerpadla. V tomto případě musí být na výstupu potrubí instalován uzavírací ventil pro výměnu prvku v případě poruchy. Pokud jste nádrž již nainstalovali na přívodní potrubí, nevadí, bude úspěšně fungovat i tam, neexistují žádné kontraindikace pro takové umístění.

Je důležité vybrat správnou čerpací jednotku, která zajišťuje nucený oběh v topném systému. Příliš silný způsobí vodní hluk v potrubí a bude plýtvat elektřinou, zatímco slabý výrazně sníží účinnost okruhu. V ideálním případě by měl být výkon čerpadla brán výpočtem, ale lze jej vybrat i na základě praktických zkušeností. Ukazuje, že v jednopatrovém domě o ploše do 150 m2 stačí model 25–40, pro velké rozměry domu a 2 podlaží – 25–55 a 32–55, nad 2 podlaží – 25– 80 nebo 32–80.

V uzavřených systémech musí být na výstupu z přívodního potrubí z kotle namontována bezpečnostní skupina. Jeho úkolem je řídit tlak a jeho nouzové uvolnění v nouzové situaci a také automaticky odvzdušňovat.

Schéma vytápění pro jednopatrový dům s nuceným oběhem

V jednopatrovém soukromém domě lze nainstalovat jakékoli schéma vytápění z výše uvedeného seznamu. Pokud má budova malou plochu (asi 70 m2), bude v ní dobře fungovat jednotrubkový systém s nuceným oběhem – Leningradka. Skládá se z jedné linky, která prochází všemi místnostmi a vrací se zpět do kotle. Radiátory jsou k němu připojeny jeden po druhém, jak je znázorněno na obrázku:

Efektivní provoz jednotrubkového okruhu závisí na počtu topných zařízení optimálně by měly být 4, maximálně 5. Pokud se pokusíte zavěsit 6 a více baterií na jednu linku, poslední z nich zůstane téměř studená. Toto je princip fungování Leningradského systému: každý chladič přijímá chladicí kapalinu s jinou teplotou. Od prvního zařízení k poslednímu klesá, protože ochlazená voda se v potrubí mísí s horkou vodou.

Je to důležité. Pro zajištění potřebného přenosu tepla by měly být k bateriím jednotrubkového topného systému přidány další sekce. Další podrobnosti k tomuto tématu jsou popsány ve videu:

Dvoutrubkový a kolektorový okruh pro vytápění jednopatrového domu takové nevýhody nemá. Všechny radiátory budou dostávat stejnou horkou vodu a průměr potrubí v tomto případě bude menší. U dvoutrubkového rozvodu teče jedním potrubím horké chladivo k bateriím a druhým jde chladivo do kotle. Navíc mohou být položeny vedle sebe, v případě potřeby skryty pod podlahou nebo za falešnou stěnou. Příklad takového obvodu je uveden níže:

Ve dvoutrubkovém kolektorovém systému s čerpadlem zajišťujícím nucený oběh jsou potrubí vedena ke každému radiátoru samostatně. Distribuční jednotka – kolektor je umístěn na vhodném místě v domě a potrubí je skryto pod podlahami. V podstatě schéma vypadá takto:

Teplé podlahy se od předchozího způsobu vytápění liší tím, že místo baterií jsou do kolektoru připojeny topné okruhy z trubek uložených v podlahové mazanině. Jedná se o nejdražší ze všech, ale také o nejekonomičtější a nejefektivnější systém využívající nucený oběh.

Schéma vytápění dvoupodlažního domu

Existuje mnoho různých schémat pro dvoupatrové chaty, je obtížné je všechny ukázat a není potřeba. Proto se omezíme na několik příkladů. Běžnou možností je jednotrubkový systém s nuceným oběhem vzduchu s vertikálními stoupačkami a horním rozvodem chladicí kapaliny. Jeho jedinou výhodou je jeho univerzálnost, pokud vydržíte všechny svahy a místo automatického odvzdušňovače nainstalujete nahoře expanzní nádobu, bude okruh fungovat jak s čerpadlem, tak bez něj.

Nejoblíbenějším topným systémem pro dvoupatrový dům je dvoutrubkový vodorovný se spodní elektroinstalací. Může být buď slepá, nebo průchozí, uzavřená nebo otevřená. Tajemstvím jeho popularity je spolehlivost a účinnost jeho provozu, stejně jako dostupné náklady na instalaci.

Můžete také použít kolektorový typ elektroinstalace nebo podlahového vytápění, nebo dokonce tato 2 schémata kombinovat. V prvním patře nainstalujte topné okruhy do podlahové mazaniny a ve druhém patře nainstalujte radiátory a připojte k nim potrubí radiální metodou. Ale v každém případě bude muset být rozvodné potrubí instalováno na každém patře.

Závěr

Jakýkoli systém s nuceným oběhem chladicí kapaliny zajistí vytápění domu lépe než gravitace. Navíc to bude stát méně a harmoničtěji zapadne do interiéru. Existuje pouze jedna nevýhoda – závislost na elektřině, ale tento problém je zcela řešitelný, i když to bude vyžadovat dodatečné náklady.

Stabilní funkční provoz kotle je možný pouze při nepřetržitém chlazení jeho teplosměnných ploch vodou nebo párou. Na plochách ekonomizéru a přehříváku páry dochází k pohybu vody a páry působením čerpadla nebo rozdílem tlaku páry v bubnu a přehříváku. V odpařovacích topných plochách dochází k pohybu vody a směsi páry a vody působením napájecího čerpadla nebo v důsledku přirozené cirkulace.

Přirozená cirkulace[editovat]

Přirozená cirkulace je pohyb vody a směsi páry a vody v potrubí kotle, způsobený rozdílem jejich hustot v důsledku intenzivnějšího ohřevu jednoho z potrubí, Obr. 7.11.

Obr.7.11. Schéma přirozené cirkulace: 1 – horní buben; 2 – spodní buben; 3 – teplo-přijímací plochy

Trubky, ve kterých voda a směs páry a vody klesá, se nazývají spouštěcí trubky a trubky, ve kterých stoupá voda a směs páry a vody, se nazývají zvedací trubky.

Pod vlivem rozdílu hustoty ve spouštěcích a stoupajících potrubích se vytváří nepřetržitý pohyb vody nebo cirkulace. Tento rozdíl hustoty se nazývá hnací tlak cirkulačního okruhu.

Cirkulační okruhy kotlových jednotek se dělí na jednoduché a složité. V jednoduchých cirkulačních okruzích (obr. 7.12.) prochází voda (směs páry a vody) postupně všemi sekcemi okruhu. Složité (obr. 7.13) se skládají z několika nezávislých vrstevnic a některé oblasti jsou společné všem vrstevnicím. Obvykle se jedná o svody.

Rýže. 7.12. Jednoduché schéma zapojení

Rýže. 7.13. Schéma složitého cirkulačního okruhu: 1 – horní buben; 2 – zvedací trubky; 3 – spodní buben; 4 – uvolnění potrubí

Při pohybu vody svody se tlak zvyšuje o velikost tlaku vodního sloupce od hladiny v bubnu k uvažovanému úseku.

Část stoupacího potrubí, ve které nedochází k varu, se nazývá sekce ekonomizéru – N_eka oblast, po které se pohybuje směs páry a vody, se nazývá oblast obsahující páru – N_pára (obr. 7.14). Užitná výška – H_patro nazývají tu část, která vytváří cirkulaci vody v kotlové jednotce.

Rýže. 7.14. Schéma přirozené cirkulace: 1 – buben; 2 – vodovodní potrubí; 3 – sběrač; 4 – úsek vyhřívaného potrubí; 5 – úsek odvodu páry nevytápěné potrubí

V jakékoli části části obsahující páru je část vody – G_в a část G páry_п, součet množství se na základě zákona kontinuity rovná množství vody vstupující do okruhu z bubnu G_o, tj. rovnost je pravdivá:

Průtok vody kterýmkoli cirkulačním okruhem převyšuje množství páry v něm vytvořené. Poměr množství vody G_o, zahrnuté v okruhu, na množství páry G v něm vytvořené_п nazývá se cirkulační rychlost – K_ц, tj.

Tato hodnota se mění v širokém rozmezí K_ц = 5 ÷ 50 pro kotel jako celek a dosahuje 200 nebo více pro jednotlivé okruhy nebo pro nízkotlaké kotle. Pouze pro průtočné kotle K_ц = 1.

Rychlost cirkulace závisí na tlaku páry, intenzitě ohřevu potrubí, jejich konfiguraci a výšce cirkulačního okruhu. Určení této hodnoty je jedním z problémů výpočtu oběhu. Metodicky se tento výpočet provádí podobně jako hydraulický výpočet topné sítě, jen s tím rozdílem, že pohyb je vytvářen gravitačním tlakem v okruhu, nikoli čerpadlem, a že se pohybuje dvoufázová kapalina proměnlivého složení. v samostatných částech v něm.

Charakter pohybu směsi páry a vody v potrubí je důležitý pro spolehlivé chlazení odpařovacích výhřevných ploch při přirozené cirkulaci. Existují čtyři hlavní způsoby pohybu směsi páry a vody ve vertikálních potrubích (obr. 7.15).

Rýže. 7.15. Hlavní způsoby pohybu směsi páry a vody ve vertikálních potrubích: a – bublina; b – projektil; c – tyč; g – emulze

Při přirozené cirkulaci je pohyb „slimák“ prakticky nepravděpodobný (při 3,0 MPa se režim „slimák“ změní na smíšený režim „sliz-bublina“). V „tyčovém“ režimu pohybu směsi pára-voda je tenký vodní film podél stěn potrubí snadno zničen v důsledku nárůstu páry jednotlivých kapek v proudu.

V horizontálních potrubích, stejně jako v potrubí mírně nakloněných k horizontu, dochází k úplnému rozvrstvení proudění směsi páry a vody. Tímto pohybem se může horní část potrubního úseku omývaná párou v důsledku zhoršení odvodu tepla zahřát na nebezpečné meze. S rostoucím tlakem se zvyšuje možnost delaminace a pro její odstranění je nutné zajistit vysoké rychlosti pohybu směsi páry a vody. Úhel sklonu trubek k horizontu nad 15° zabraňuje delaminaci.

Spolehlivý provoz kotlových trubek v okruhu s přirozenou cirkulací nejlépe zajistí „emulzní“ pohyb, při kterém jsou stěny trubek průběžně ochlazovány vodním filmem.

Nebezpečným režimem pro spodní část okruhu je tvorba páry ve spodním potrubí, ke které může dojít v důsledku poklesu tlaku ve vstupní části potrubí (fenomén kavitace). K tomuto jevu dochází, pokud je výška hladiny vody v bubnu před vstupem do dřezových trubek menší než tlaková ztráta na vstupu do dřezových trubek. Pro vyloučení kavitačního režimu v nich je nutné dodržet následující podmínku:

h_in ⋅ρ_{Ve středu} > 1,5 W 2 _op ⋅ρ_{Ve středu}/2 , Pa, kde: h_in – výška hladiny nad vstupem do spodního potrubí vm; ñ_{Ve středu} – hustota média v kg/m3; W_op – rychlost pohybu média ve svodech vm/s.

Nebezpečné režimy pro zvedací část okruhu jsou:

– tvorba stagnace média ve stoupacích potrubích;

— stratifikace proudu směsi páry a vody;

— režim maximální rychlosti oběhu.

V důsledku nerovnoměrného ohřevu dochází ke stagnaci média ve stoupacích potrubích. Nerovnoměrné zahřívání stoupacích trubek je způsobeno:

— konstrukční vlastnosti cirkulačních okruhů;

Konstrukční vlastnosti jsou dány různou délkou vytápěných ploch, nutností obcházet sítové potrubí kolem střílen a hořáků atd.

Provozní faktory jsou: struskování sít a konvekčních nosníků, úlety topných ploch popílkem, náhlé změny režimu spalování atd.

Z konstruktivních opatření, která pomáhají zvýšit spolehlivost oběhu, jsou hlavní:

— zvětšení průřezu svodů;

Zvětšení průřezů svodných trubek vede ke zvýšení průtoku vody všemi trubkami cirkulačního okruhu, včetně špatně zahřátých trubek. Zvětšením průřezů spouštěcích trubek se snižuje užitečný tlak a tvorba stagnace média (vznik volné hladiny) ve stoupacích trubkách je nepravděpodobná.

Rozdělení spalovací clony na několik sekcí zajišťuje rovnoměrnější absorpci tepla stoupacích trubek.

Reverzace cirkulace, kterou se rozumí přechod od pohybu vody a směsi páry a vody směrem nahoru k pohybu směrem dolů, probíhá v potrubích vedoucích do vodního prostoru bubnu. V tomto případě je nevyhnutelné vytvoření volné hladiny a s tím spojené nebezpečí vyhoření potrubí.

Rozvrstvení proudění směsi pára-voda ve stoupacích potrubích je možné pouze ve vodorovných a mírně skloněných potrubích při nízké rychlosti hmotnostního proudění. Proto se použití takového potrubí v cirkulačních okruzích kotlů s přirozenou cirkulací nedoporučuje.

Režim maximálního cirkulačního poměru ve stoupačkách je režim, ve kterém se cirkulační poměr blíží jednotce. V tomto případě dochází k výraznému odpařování vody v potrubí a tvorbě vodního kamene na povrchu potrubí. Proto se u kotlů s přirozenou cirkulací doporučuje nesnižovat průměrný cirkulační poměr pod tři (u vysokotlakých bubnových kotlů).

Nucený oběh[editovat]

Nucený oběh je pohyb vody a směsi páry a vody v trubkách kotle a v ostatních teplosměnných plochách kotle, způsobený činností čerpadla nebo rozdíly tlaku páry v bubnu a přehříváku.

Topná plocha parních kotlů se skládá z velkého počtu paralelních pracovních trubek, z nichž mnohé mají vlivem nerovnoměrného ohřevu a nerovnoměrného hydraulického odporu různé tepelné a hydrodynamické charakteristiky. Distribuce vody takovým potrubím nemůže být rovnoměrná, entalpie pracovní tekutiny na výstupu z jednotlivých závitů se může výrazně lišit od průměrné hodnoty.

Poměr největšího přírůstku entalpie v libovolném otočení ∆h_в na průměrný přírůstek entalpie na celé topné ploše ∆h_ženatý tzv. tepelné skenování:

Hodnota tepelného rozptylu je hodnocením tepelné i hydraulické nerovnoměrnosti.

Tepelná nerovnoměrnost paralelně zapojených trubek je způsobena nestejnými podmínkami pro jejich ohřev v závislosti na provozních faktorech (struskování jednotlivých skupin závitů, posunutí jádra hořáku a vznik teplotní nerovnováhy v peci a kouřovodech atd.) a na konstrukční vlastnosti a uspořádání jednotlivých prvků kotlové jednotky (spalovací komora, hořáková zařízení atd.).

Hydraulické nerovnosti jsou způsobeny nestejným hydraulickým odporem v důsledku různého stupně drsnosti stěn potrubí, jejich nestejné délky, konfigurace a změn jejich tepelného zatížení z provozních důvodů.

Pro spolehlivý provoz kotle je nutné, aby byly charakteristiky svazků trubek stabilní. K tomu se používá dodatečný odpor ve formě škrticích podložek instalovaných na vstupu do potrubí. Hydraulický odpor podložky se přičte k odporu cívky a její hydrodynamická charakteristika se ustálí. Vliv instalace podložek na změnu hydrodynamických charakteristik je znázorněn na Obr. 7.16.

Rýže. 7.16. Vliv instalace podložek na změnu hydrodynamických charakteristik potrubí: 1 – vyhřívaná trubka bez podložky; 2 – vyhřívaná trubka při instalaci podložky, d = 10 mm; 3 – stejná d = 7 mm; 4 – stejná d = 5 mm

Škrtící podložky také eliminují pulzaci proudění, která způsobuje tvorbu prstencových trhlin v potrubí. Pro eliminaci pulzace proudění se používá větší škrcení ve srovnání s tím, které je nutné pro stabilizaci hydrodynamických charakteristik cívky.