Systém vytápění s přirozenou cirkulací: princip fungování
Topný systém s přirozenou cirkulací chladicí kapalina (gravitační topný systém) nemá ve své konstrukci oběhová čerpadla a cirkulace chladicí kapaliny se provádí pomocí přírodních fyzikálních zákonů. Jeho velkou výhodou je, že je velmi odolný a ke svému provozu nevyžaduje další zdroje energie ani drahé zařízení. Se správným designem a kvalitní montáží gravitační topný systém může fungovat bez větších oprav minimálně 35-40 let. Vyznačuje se krátkou délkou potrubí (horizontální akční rádius je omezen na 30 m), nízkými hydraulickými výškami a tlakovými ztrátami.
Topný systém s přirozenou cirkulací chladicí kapalina (gravitační topný systém) byl vynalezen a patentován v roce 1832 ruským metalurgickým inženýrem, členem korespondentem Ruské akademie věd P. G. Sobolevským.
Schéma gravitačního topného systému se skládá z generátoru tepla (topného kotle), přívodního a vratného hlavního potrubí, expanzní nádoby a topných zařízení (radiátorů).
Chladivo ohřáté v generátoru tepla proudí přívodním a vodorovným potrubím do topných zařízení (radiátorů), kde uvolňuje část svého tepla a radiátorové články předávají teplo do místnosti. Poté se chladicí kapalina vrací zpětným potrubím do generátoru tepla, kde se opět zahřeje na požadovanou teplotu a poté se cyklus opakuje.
Přirozená cirkulace chladicí kapaliny (vody) uzavřeným potrubním systémem je způsobena změnami hmotnosti a hustoty kapaliny, jak teplota stoupá a klesá. Při zahřívání chladicí kapaliny v generátoru tepla klesá její hmotnost a hustota v přívodním potrubí. Současně je ve zpětném potrubí chladnější chladivo, které již odevzdalo své teplo, má větší hmotnost a hustotu. V systému vzniká tlak pod vlivem gravitačních sil – horké chladivo stoupá nahoru přívodním potrubím a šíří se vodorovným potrubím gravitací a nahrazuje chladné chladivo, které také samospádem proudí zpět do generátoru tepla (kotle). Do expanzní nádoby se dostává chladicí kapalina, jejíž objem se s rostoucí teplotou zvětšuje, vytváří a udržuje konstantní tlak.
Gravitační tlak způsobuje pohyb chladicí kapaliny, ale také se používá k překonání odporu v potrubí. Odpor je způsoben hlavně třením chladicí kapaliny o stěny potrubí a všechny druhy odboček a úhlových závitů přítomných v systému jsou dalšími zdroji odporu. Při návrhu vytápění je jedním z hlavních úkolů minimalizace odporu v potrubí. Pro snížení odporu se používají trubky s velkým průřezem a značný význam má i materiál, ze kterého jsou trubky vyrobeny.
Důležitou podmínkou, která zajišťuje přirozenou cirkulaci chladicí kapaliny, je přítomnost sklonu v horizontálních potrubích ve směru pohybu vody – sklon od přívodní stoupačky k radiátorům a sklon zpětného potrubí od radiátorů k vytápění kotel. Pokud je sklon proveden v opačném směru, systém nebude fungovat.
Sklon potrubí musí být minimálně 0,005 m na 1 běžný metr potrubí.
Kromě zajištění cirkulace chladicí kapaliny vám sklon v potrubí umožňuje účinně bojovat proti „provzdušňování“ systému. Vzduchové bubliny vytvořené během zahřívání chladicí kapaliny v systému proudí potrubím a vstupují do expanzní nádrže a poté jsou odstraněny do atmosféry.
Při návrhu otopné soustavy je třeba pomocí speciálního vzorce vypočítat požadovaný gravitační tlak (oběhový tlak). Záleží na výškovém rozdílu mezi kotlem a nejnižším radiátorem – čím větší je tento rozdíl (h), tím větší je tlak. Zvýšení cirkulačního tlaku je také usnadněno zvýšením úhlu sklonu přívodního potrubí směřujícího k radiátorům a sklonu vratného potrubí směrem k generátoru tepla (kotli).
Sklon potrubí musí být minimálně 0,005 m na 1 běžný metr potrubí.
Toto schéma umožňuje chladicí kapalině snadněji překonat místní odpor v potrubí. Výsledný cirkulační tlak také přímo závisí na montážní výšce otopných těles. Provedení návrhu a následné montáže topné systémy s přirozenou cirkulací, kotel je umístěn v nejnižším bodě tak, aby všechny výměníky (radiátory) byly nad ním.
Potrubí pro topné systémy se dělí podle typu instalace na jedno- a dvoutrubkové. (Pojmy „dvouproudé“, „jednotrubkové“, „dvoutrubkové“ by neměly být zaměňovány: první charakterizuje směr toků chladicí kapaliny, jejich „cykličnost“ v systému a poslední dva jsou pouze metody připojení potrubí k topným zařízením při zachování cykličnosti).
Vytápění s přirozenou cirkulací chladicí kapaliny bylo oblíbenou konfigurací pro vytápění soukromých domů v 1950. – 1990. letech XNUMX. století. Důvodem byla slabá úroveň plynofikace v obydlených oblastech, nedostupnost polymerních materiálů pro výstavbu vytápění a přerušení dodávek elektřiny. Dokonce i nyní, v soukromých domech staré výstavby, je tento typ ohřevu vody zcela běžný. Jak zlepšit výkon systému vytápění s přirozeným oběhem pomocí čerpadla? Článek podrobně popisuje modernizaci vytápění v této oblasti.
Topný systém s přirozenou cirkulací
Systémy ohřevu vody jsou rozděleny do 2 typů podle povahy pohybu chladicí kapaliny:
- Systém nuceného oběhu;
- Přirozený oběhový systém.
Nucený oběh vody v topném systému zajišťuje čerpadlová jednotka, instalovaná samostatně nebo zabudovaná do topného kotle. Přirozená cirkulace je realizována díky termofyzikálním vlastnostem vody.
Princip přirozené cirkulace je založen na výskytu pohybu vody různé hustoty. Voda se ohřívá v bojleru a stoupá nahoru přívodním potrubím. Protože voda je nestlačitelná kapalina, část horké vody, když stoupá, posouvá vodní těleso celého systému. Zároveň do kotle vstupuje část studené vody, která se ohřívá a opět stoupá. V důsledku toho se v důsledku zahřívání chladicí kapaliny v kotli vytváří konstantní režim pohybu tekutiny v síti. Cirkulace je udržována sklonem potrubí.
Výhodou tohoto typu vytápění je naprostá nezávislost na dostupnosti elektrické energie. Přirozené vytápění soukromého domu má také řadu nevýhod:
- Nízká rychlost pohybu chladicí kapaliny;
- Potíže s regulací teploty systému;
- Omezení ve výběru materiálů pro instalaci;
- Výhradně otevřený způsob pokládky potrubí.
Schéma potrubí pro zařízení s přirozenou cirkulací je jednotrubkové, sekvenční. Proto je každý radiátor v řetězci chladnější než ten předchozí. Konstrukce propojky v tomto případě není možná. Nízká rychlost vody snižuje rovnoměrný ohřev topných zařízení – radiátory v blízkosti kotle jsou horké, poslední v řadě jsou sotva teplé.
Regulace teploty vytápění je možná pouze na rozšířené bázi – regulace velikosti průtoku do samostatného okruhu (skupiny otopných těles).
Omezení ve výběru materiálu je způsobeno nutností použití trubek o průměru minimálně 40 mm. Trubky s menším průměrem mohou prakticky zastavit cirkulaci. Použití polymerových trubek se nedoporučuje – slouží jako tepelný izolant, zatímco ocelové trubky fungují jako topné plochy. Jako topná zařízení se používají litinové radiátory nebo registry z ocelových trubek o průměru 70 – 100 mm.
Modernizace vytápění s přirozenou cirkulací
Pokud jsou přítomny všechny výše uvedené nedostatky, lze systém výrazně zlepšit. Zlepšení topného komplexu s přirozenou cirkulací je dosaženo instalací oběhového čerpadla s nízkým výkonem.
Čerpadlo má nízký výtlačný tlak – tento stav nevyžaduje instalaci membránové expanzní nádoby a uzavření okruhu. Jednotka uděluje potřebnou rychlost chladicí kapalině – tím se zvýší obrat vody v systému, teplota radiátorů se vyrovná. Rychlost výměny chladicí kapaliny v systému se doporučuje 3;
Instalace čerpadla vyžaduje minimum materiálu a práce s elektrickým svařováním. Oběhová čerpadla pro domácnost od předních výrobců – Grundfos, DAB, Wilo – mají nízký příkon (od 50 do 90 W) a stupňovité přepínání otáček oběžného kola. Tato síla je dostatečná k zajištění vysoce kvalitní cirkulace v topném systému soukromého domu o rozloze 120 – 150 metrů čtverečních s jedním čerpadlem. Čerpadla pracují ze sítě 220V.
Instalace zařízení nevyžaduje změnu konfigurace obvodu – to vám umožní ušetřit značné peníze.
Místo instalace čerpadla není důležité – může být instalováno jak na přívodním, tak na vratném potrubí. Pro univerzalizaci systému by čerpadlo mělo být namontováno na obtok, který obchází kulový ventil v systému. Přítomnost jeřábu umožňuje dva režimy provozu:
- Topení funguje s čerpadlem – kohoutek je uzavřen;
- Topení funguje s přirozenou cirkulací – kohoutek je otevřený.
Pro umožnění demontáže, výměny nebo preventivní údržby čerpadla se doporučuje instalovat uzavírací ventily na vstupu a výstupu čerpadla.
Pro zajištění cirkulace se doporučuje používat čerpadla s mokrým rotorem. Mají o něco nižší účinnost než čerpadla se suchým rotorem. Tuto nevýhodu ale kompenzují tichým chodem, jednoduchostí, nenáročností a spolehlivostí a dlouhou životností. Při jejich instalaci musí být splněna jedna podmínka – rotor motoru musí být umístěn přísně vodorovně.
Instalace oběhového čerpadla do topného systému je efektivním řešením pro zlepšení výkonu vytápění s přirozenou cirkulací. Při minimálních nákladech je dosaženo výrazného zlepšení kvality topného systému.