Водяное отопление

Водяное отопление

ВОДЯНОЕ ОТОПЛЕНИЕ, система отопления, при которой теплоносителем является вода, нагреваемая определенным источником теплоты и разносимая по нагревательным приборам, установленным в отапливаемых помещениях. В зависимости от температуры воды и от давления в системе отопления различают: водяное отопление низкого, среднего и высокого давления. Отопление низкого давления подразделяется на отопление с естественной циркуляцией воды, с усиленной циркуляцией и насосное отопление. Кроме того, в зависимости от способа присоединения нагревательных приборов и расположения трубопроводов, водяное отопление бывает: двухтрубной системы с верхней и нижней разводкой и однотрубной системы.

Водяное отопление имеет следующие главные составные части: котел с арматурой, трубопровод из труб и соединительных частей, нагревательные приборы, расширительный сосуд и регулировочные и предохранительные приспособления. Общая схема водяного отопления, действие которого основано на разнице удельного веса горячей и холодной воды, такова: в замкнутом кольце трубопровода в котле К (фиг. 1), расположенном в нижней части кольца, нагревается вода, которая и отдает полученную ею теплоту отапливаемому помещению при посредстве нагревательных приборов Н, помещенных в верхней части кольца.

Общая схема водяного отопления

Вода в подъемной и подающей ее в приборы трубе имеет более высокую температуру t1 и соответственно меньший вес единицы объема γ', чем температура воды t2 и вес единицы объема γ" в обратной трубе. Вследствие разности весов холодного и нагретого столбов воды происходит ее циркуляция в замкнутом кольце трубопровода, от котла к прибору и от прибора к котлу, и происходит она тем сильнее, чем больше разность температур (t1—t2) и высота h между серединами котла и прибора. Эта высота h называется циркуляционной высотой. Движущей силой циркуляции воды, или действующим напором, будет

Движущая сила циркуляции воды

где h - в м, γ' и γ" - в кг/м3, Н - в кг/м2 или в мм водяного столба, отнесенного к 4°. Действующий напор расходуется при циркуляции воды по трубопроводу и приборам на преодоление сопротивления трения и так называемых местных сопротивлений соединительных частей труб, отводов, вентилей и т. п. Поэтому для осуществления циркуляции воды д. б. соблюдено соотношение

Vodjanoe otoplenie 3

где l - длина трубопровода в м, R - сопротивление трения в мм вод. ст. на 1 м трубы, Z - местные сопротивления в мм вод. ст.

При верхней разводке в двухтрубной системе водяное отопление низкого давления (фиг. 2) нагретая в котле К вода поднимается по подъемному стояку вверх, к разводящему трубопроводу а, располагаемому на чердаке здания или под потолком его.

Двухтрубная система водяного отопления низкого давления

К самой высокой точке разводящего трубопровода присоединяется расширительный сосуд Е, назначение которого - вмещать избыток воды, получающийся от ее расширения. Этот сосуд сообщается с атмосферным воздухом, что необходимо для того, чтобы давление в верхней части системы не превысило атмосферного. При помощи разводящего трубопровода вода разводится подающими стояками б к нагревательным приборам Н, установленным в отдельных помещениях отапливаемого здания, а из них, после отдачи теплоты, поступает обратно в котел, через обратные стояки в и обратный трубопровод г, для нового нагревания. Каждый нагревательный прибор присоединяется к двум стоякам, почему и система называется двухтрубной.

Нижняя разводка водяного отопления

Нижняя разводка в этой системе отличается тем, что разводящий трубопровод а располагается внизу, под потолком подвала здания, и вода подводится к подающим стоякам б снизу (фиг. 3, обозначения - те же, что и на фиг. 2, пунктиром обозначена воздушная сеть), от каждого же стояка поднимаются кверху воздушные трубки, соединяющиеся с расширительным сосудом Е для выпуска воздуха из системы. При однотрубной системе (фиг. 4) нагретая вода из котла К поднимается по главному подающему стояку вверх и по сети разводящих труб а доставляется к стоякам б, а через них к нагревательным приборам. Отдавшая в приборах теплоту вода поступает снова в тот же стояк, смешиваясь с водой вышележащего прибора.

Однотрубная система водяного отопления

Все указанные системы работают помощью естественной циркуляции и при правильном расчете действуют вполне исправно. Поддерживая определенную температуру воды в котле в зависимости от температуры наружного воздуха, можно регулировать теплоотдачу приборов в помещениях из одного центра. Наибольшая температура воды в котле допускается в 90—95°, а падение температуры воды в приборах принимается в 30, 25, а чаще в 20°, так что средняя температура прибора равна 75—85°. Эта температура воды соответствует наинизшей наружной температуре, при средних же температурах воздуха зимой температура приборов поддерживается не выше 60—65°, что является вполне гигиеничным, так как оседающая на трубах пыль не пригорает при этой температуре. Двухтрубная система при верхней разводке имеет то преимущество, что циркуляция воды происходит быстрее и сильнее; однако стоимость ее оборудования несколько выше, чем при нижней разводке, благодаря большим диаметрам труб. В однотрубной системе имеется тот недостаток, что поверхность нагрева нижних приборов д. б. увеличена вследствие более низкой температуры воды, попадающей в них из расположенных выше приборов. Кроме того, при однотрубной системе происходит более медленное нагревание приборов. Эта система, благодаря простоте трубопровода, чаще применяется для отопления многоэтажных зданий с однообразным устройством этажей, а также при насосном отоплении, когда получается большая циркуляция в стояках. При отоплении небольших оранжерей нагревательными приборами служат разводящие трубопроводы, которым придается форма змеевиков. Когда район отопления помещений невелик и котел располагается на одной высоте с нагревательными приборами или несколько ниже, применяется так называемое поэтажное или поквартирное отопление. Оно употребляется также в тех случаях, когда в отдельных квартирах возможно присоединение отопительной сети к кухонному очагу; так как при этой системе отопления действующий напор близок к нулю, то циркуляция воды происходит благодаря добавочному напору, создаваемому охлаждением разводящего трубопровода. Преимущества поквартирного отопления заключаются в том, что при нем отопление каждой квартиры не зависит от отопления остальных.

Системы водяного отопления с естественной циркуляцией воды имеют обыкновенно сравнительно небольшие действующие напоры, и потому район их действия довольно ограничен. При всех благоприятных условиях область применения их обычно ограничивается протяжением системы не свыше 100 м, т. е. горизонтальное расстояние самого удаленного стояка от котла не превышает 100 м. В длинных зданиях или в случае невозможности увеличить действующий напор вследствие ограниченной циркуляционной высоты вводят особые устройства для усиления циркуляции воды путем искусственного увеличения действующего напора. Усиленная циркуляция воды достигается различными способами, например введением пара или воздуха в восходящий стояк системы водяного отопления. К наиболее известным системам подобного рода относится система Река, при которой вместе с водяным котлом устанавливается паровой котел низкого давления; пар из котла подводится к уширению подъемного стояка, в особый приемник, где он, с одной стороны, конденсируется и этим увеличивает температуру воды, а с другой - расширяется, в результате чего в подъемной трубе получается смесь пара с водой. Однако подобные системы страдают многими дефектами и потому большого распространения не получили. Чаще применяются особые пароструйные приборы, известные под названием элеваторов, которые, увеличивая давление в трубопроводах, тем самым увеличивают действующий напор. Действие элеваторов прекращается с повышением температуры присасываемой воды свыше 70°. Давление вводимого в элеватор пара на 0,4 atm выше нормального. В виду этого в некоторых случаях элеватор устанавливается не у восходящего стояка, а на обратной трубе, где обычно температура не превышает 70°; т. о. получается возможность поднимать температуру в восходящем стояке до рекомендуемых профессором В. М. Чаплиным 90—95°. Из систем с побудительной циркуляцией известна еще предложенная профессором В. М. Чаплиным система т. н. «водо-водяного» отопления, при которой в циркуляционную воду вместо пара вводится горячая вода при помощи элеватора.

В настоящее время, в связи с развитием крупного жилищного строительства, очень широкое распространение получило насосное отопление, дающее возможность получить большой циркуляционный напор и распространить действие отопления на значительные горизонтальные расстояния. Насосное отопление не имеет тех недостатков, которые присущи другим побудительным системам, и удобно в эксплуатации, хотя требует для своей работы двигателей. Такими двигателями для приведения насосов в действие большей частью служат электромоторы. Благодаря увеличенной скорости циркуляции воды при этой системе возможно отапливать из одного центра не только большие по протяжённости здания, но и группы их. Скорость циркуляции воды в системе, во избежание появления больших сопротивлений в трубопроводах, не допускается выше 3 м/сек. При насосном отоплении возможно значительно уменьшить диаметр трубопроводов, чем достигается уменьшение расходов по установке, но зато появляется добавочный расход на энергию для приведения в действие насоса. В тех случаях, когда м. б. применено одно только насосное отопление, необходимо обеспечить его беспрерывно действующей двигательной силой. При насосном отоплении обычно употребляют центробежные насосы, как более надежные в работе и работающие более равномерно.

Водяное отопление среднего давления отличается от водяного отопления низкого давления нагревом воды в котле до 120° при самых низких наружных температурах. Чтобы не происходило закипания воды, расширительные сосуды делают закрытыми, так что отопление работает под давлением. Применение этой системы отопления, несмотря на незначительную стоимость ее, довольно ограничено благодаря высокой температуре приборов, что вредно в гигиеническом отношении. При водяном отоплении высокого давления температура воды доводится до 200°; применяется оно только в промышленных производствах (пекарни, сушильни, красильни и т. п.) в виду его негигиеничности и опасности для помещений с постоянным пребыванием людей. Оно состоит из замкнутого кольца труб, причем часть их в виде змеевика служит котлом. Расширительный сосуд в этом случае заменяется расширительными трубами, собранными особым способом. Для удаления воздуха из системы применяется особое приспособление. Выбор той или иной системы водяного отопления зависит в конкретном случае от технической целесообразности, санитарных условий и экономичности, которая выясняется при проектировании отопительной установки расчетным путем.

Котлы для водяного отопления раньше применялись обыкновенно железные с кирпичной обмуровкой; в настоящее время широко применяются чугунные котлы, употребляемые без обмуровки, чем достигается значительное удешевление отопительной установки и более быстрое оборудование отопления. В общем, котлы можно разделить на две группы: котлы большой теплоемкости и малой. К первым относятся котлы цилиндрические: корнваллийские и ланкаширские, а ко вторым - чугунные и железные разных конструкций с малым объемом воды. Водяное отопление имеет перед другими системами то преимущество, что передача теплоты в помещения через приборы продолжается и после того, как окончилась топка котлов; это происходит благодаря продолжающейся циркуляции воды, которая тем продолжительнее, чем больше запас воды в системе, так как остывание протекает тогда медленнее. Поэтому для отопления с перерывами более применимы котлы большой теплоемкости, а для беспрерывной топки - чугунные котлы. С другой стороны, в тех случаях, когда требуется быстрый нагрев системы, рекомендуется применять котлы малой теплоемкости, дающие более гибкую систему отопления. Котлы д. б. снабжены всей необходимой арматурой и гарнитурой (термометры, регуляторы горения, дымовые задвижки, запорные, наполнительные и спускные краны для наполнения котлов водой и спуска ее); необходимо также иметь шуровочные принадлежности для обслуживания котлов. Для контроля уровня воды в системе отопления служит манометр, устанавливаемый в котельной на обратной линии, и спускающиеся к раковине сигнальная и переполнительная трубки (см. ниже). Для выкачки воды из котлов и обратных линий устанавливают ручной насос. При употреблении чугунных котлов их снабжают регуляторами горения, которые действуют автоматически и регулируют поступление воздуха в топку. При нескольких котлах, для возможности выключения каждого из них для ремонта без перерыва действия отопления, на подводящих трубах устанавливают запорные задвижки. Для предотвращения взрыва котла, в случае топки его при закрытых задвижках, устанавливают специальные предохранительные приспособления, назначение которых состоит в том, чтобы при расширении воды в котле излишек ее мог удаляться из котла. Для этого применяются обводные линии из труб с постановкой на них обратных клапанов. Котельная для водяного отопления должна быть рассчитана так, чтобы обслуживание котлов было удобным и чтобы была обеспечена возможность быстрого выхода из котельной при пожаре или несчастном случае. При каждой котельной устраивается складочное помещение для топлива, достаточных размеров и имеющее удобное сообщение с котельной. Для вентиляции котельной в ней делают приточные и вытяжные отверстия достаточных размеров. Для отвода дымовых газов каждая котельная снабжается дымовой трубой, которая рассчитывается всегда на наибольшее количество удаляемых газов.

Нагревательные приборы бывают ребристые или гладкие; иногда в качестве нагревательных приборов применяются трубы. Приборы должны быть размещаемы в подлежащих отапливанию помещениях по возможности равномерно у охлаждающихся поверхностей, причем обычно они устанавливаются под окнами и у стен. В случае же наличия верхнего света (световых фонарей) или высоких окон, а также в высоких помещениях, часть приборов размещается наверху с таким расчётом, чтобы была обеспечена равномерная циркуляция около них воздуха и не получалось токов холодного воздуха. Приборы устанавливаются открыто или же в открытых нишах стен; иногда для приборов применяются оградительные решетки и декоративные ограждения; в этих случаях теплоотдача приборов понижается; при наличии ограждений необходимо так их установить, чтобы воздух мог свободно проходить около нагреваемых приборов. Прикрепление приборов к стенам производится кронштейнами или приборы устанавливаются на ножках. Регулирующие вентили и краны бывают различной конструкции, но преимущественно употребляются краны двойной регулировки (фиг. 5), позволяющие сначала, при регулировании действия системы, устанавливать в вертикальном направлении определенный размер отверстий для прохода воды, а затем уже устанавливать большее или меньшее открытие отверстий в круговом направлении.

Регулирующие вентили и краны

Для соединения котла с приборами служат трубопроводы, образующие для каждого отдельного прибора замкнутое кольцо труб и соединенные между собой разными соединительными частями. При водяном отоплении для трубопроводов употребляют только сварные железные трубы, муфтовые или фланцевые. При водяном отоплении высокого давления, для получения более прочного соединения, употребляются фланцы особой формы (фиг. 6).

При водяном отоплении высокого давления, для получения более прочного соединения, употребляются фланцы особой формы

Для прикрепления трубопроводов к стенам зданий употребляются: для муфтовых труб - газовые железные крючки и особые ухватики, для фланцевых труб - кронштейны различной формы. При необходимости подвешивания труб употребляются различные подвески. Соединенным между собой трубопроводам д. б. обеспечена возможность расширения от нагревания, для чего применяются различные способы прокладки и укрепления труб и устанавливаются изготовленные из труб компенсаторы.

Подвеска для неподвижных труб

На фиг. 7 показана подвеска для неподвижных труб; на фиг. 8 - подвеска, в которой труба может передвигаться на роликах; на фиг. 9 и 10 - два вида компенсаторов.

Подвеска, в которой труба может передвигаться на роликах

При прохождении труб через стены и потолки в них устанавливают особые железные гильзы для свободного движения труб.

Компенсаторы системы отопления

Для предохранения циркуляционных труб от потерь тепла и от замерзания их изолируют на холодных участках нетеплопроводной мастикой или пробковыми материалами. Мастика составляется обыкновенно из белой глины и шерстяных очесов (кнопа) и значительно дешевле пробки. При прокладке труб особенно важное значение имеют уклоны труб, т. к. при недостаточном уклоне их может получиться скопление воздуха в отдельных местах, и система не будет работать. Эти уклоны делаются около 0,01. Расширительный сосуд присоединяется к системе в высшей точке ее; он делается из железа клепаным, четырехугольной или цилиндрической формы. Каждый расширитель снабжается двумя трубками - сигнальной и переполнительной, проводимыми в котельную, к установленной в ней канализационной раковине. Сигнальная трубка имеет запорный вентиль, и по ней, периодически открывая и закрывая вентиль, истопник может судить о степени наполнения системы водой. Переполнительная трубка служит для перелива избытка воды в случае переполнения системы водой. Крышка расширителя снабжается воздушной трубкой для выпуска из него воздуха, поступающего из системы при наполнении ее водой и во время действия системы. Расширительный сосуд и присоединенные к нему трубки, при расположении их на чердаке здания, должны быть обеспечены от замерзания; обычно их помещают в особые утепленные будки, а иногда устанавливают в лестничных клетках. Отопительную установку в собранном виде испытывают пробным гидравлическим давлением, наполнив ее водой, с помощью гидравлического насоса в течение 15 минут, причем это пробное давление должно превышать давление воды в системе на 2 atm. Затем система испытывается пробной топкой, во время которой следует подтянуть болты у фланцев и отрегулировать нагревательные приборы регулировочными кранами, чтобы все приборы имели равномерное прогревание. Для правильного действия всякой системы отопления главное значение имеет правильный расчет трубопровода, а также и других главных составных частей, на что д. б. обращено особое внимание.

Исходной величиной для расчета трубопроводов и нагревательных приборов водяного отопления служит действующий напор Н, величина которого дана в приведенных выше двух формулах. В двухтрубных системах определение Н не представляет трудностей. В однотрубной системе водяного отопления для определения действующего напора д. б. предварительно вычислены удельный вес или температура воды в отдельных участках трубопровода и циркуляционная высота h этих участков. Трубчатые змеевики, служащие в оранжереях нагревательными приборами, рассчитываются как трубопроводы. При системах побудительной циркуляции воды действующий напор составляется из естественного напора и добавочного, зависящего от рода принятого побудителя; так, для системы Река он приблизительно равен половине высоты напорной трубы в мм вод. ст. Для насосных систем действующим напором служит суммарный напор, получаемый из естественного напора и от производимого насосом давления Нр. При незначительном естественном напоре им обыкновенно пренебрегают, и тогда за основное расчетное уравнение принимают:

Vodjanoe otoplenie 12

При водяном отоплении среднего и высокого давления действующий напор определяется по общей формуле:

При водяном отоплении среднего и высокого давления действующий напор

причем для высокого давления удельные веса γ с достаточной точностью можно вычислить по формуле Фишера:

Формула Фишера

Водяное отопление индивидуальное, поквартирное, этажное. При этажном водяном отоплении, принадлежащем к системе водяного отопления низкого давления, котел и нагревательные приборы расположены в одном и том же этаже и на одном уровне. Этажное отопление объединяет преимущества центрального и печного отопления: независимость в отношении пользования отоплением, наличие в одной квартире одной только топки (один дымоход) и уменьшение расходов на обслуживание и поддержание в действии отопления. Недостатки в сравнении с центральным отоплением: необходимость доставки топлива и удаления золы из кухни; дороговизна установки сравнительно с одним общим устройством отопления для всего дома. Кажущейся экономии топлива при одновременной варке пищи в действительности не получается, так как отопление и варка пищи не всегда совпадают по времени.

В системах этажного водяного отопления от кухонного очага чугунный котелок или змеевик замуровывают в плите; иногда котел устанавливают рядом с плитой, а вода нагревается дымовыми газами. Подъемную трубу располагают по стене под потолком, обратную помещают по стене у пола. На фиг. 11 показана схема этажного отопления от кухонного очага.

Схема этажного отопления от кухонного очага

Новейшая конструкция этажного водяного отопления «Нараг-Классик» приведена на фиг. 12. Она состоит из котла, радиаторов, расширительного сосуда и трубопровода.

Конструкция этажного водяного отопления «Нараг-Классик»

Небольшой чугунный комнатный котелок «Нараг», размерами от: 55х360х640 мм до 80х540х1150 мм, с поверхностью нагрева от 0,5 до 2,4 м2, может быть установлен в любой комнате прямо на полу. Объем воды 8—33 л; вес котла в упаковке 115—370 кг, производительность котлов 6000—28000 Саl/час., радиация от котла 800—2000 Саl/час., вместимость для кокса 16—88 л. Конструкция этого котла допускает большое соприкосновение газов с поверхностью нагрева и дает ускоренный нагрев воды. КПД котла 84,5%. Все тепло от котла остается в помещении. Радиаторы «Классик», новейшей усовершенствованной конструкции, испытаны под холодным давлением. Теплоотдача этих радиаторов не зависит от их высоты; 1 м2 чугунного радиатора «Классик» весит 26 кг против 40 кг обыкновенного радиатора. Малая водоемкость радиаторов «Классик» способствует ускоренной циркуляции воды, что очень важно для этажных отоплений. При одинаковой поверхности нагрева радиатор «Классик» занимает меньше места, чем обыкновенный. Распределительный трубопровод идет от расширительного сосуда, а не от подъемной трубы, как в других системах водяного отопления. Циркуляция воды в системе отопления «Нараг-Классик» основана на конструкции самих приборов - котла и радиаторов. Скорость циркуляции воды увеличена на 30% в сравнении с обыкновенным этажным отоплением. Диаметр трубопроводов может быть соответственно уменьшен. При этой системе отопления циркуляция воды возможна в тех случаях, когда при обыкновенных котлах и радиаторах циркуляция невозможна. Система «Нараг-Классик» применяется для отопления квартир, небольших строений, магазинов, контор, небольших вокзалов, ресторанов, кино и гаражей. В последнее время эта система применяется для отопления небольших судов и спальных вагонов. К такого рода отоплению легко присоединить приготовление горячей воды для кухни и для ванной.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.