Как работает элеваторный узел в схеме централизованного теплоснабжения

Назначение и функции узла

Вода в сетях централизованного теплоснабжения достигает температуры 150 °С и движется по наружным магистралям под давлением 6—10 Бар. Зачем поддерживаются столь высокие параметры теплоносителя:

1. Чтобы высокотемпературные котлы либо другое теплосиловое оборудование функционировало с максимальным КПД.
2. Для доставки нагретой воды в районы, отдаленные от котельной или ТЭЦ, сетевые насосы должны создавать приличный напор. Тогда на тепловых вводах близлежащих зданий давление достигает 10 Бар (опрессовка – 12 Бар).
3. Транспортировка перегретого теплоносителя выгодна экономически. Тонна воды, доведенная до 150 градусов, содержит значительно больше тепловой энергии, нежели аналогичный объем при 90 °С.

Справка. Теплоноситель в трубах не обращается в пар, поскольку находится под давлением, удерживающим воду в жидком агрегатном состоянии.

Деталь незамысловатая — с виду обычный тройник с фланцами
Согласно действующим нормативным документам, температура теплоносителя, подаваемого в систему водяного отопления жилого либо административного здания, не должна превышать 95 °С. Да и напор 8—10 атмосфер слишком велик для внутридомовой теплосети. Значит, указанные параметры воды нужно подкорректировать в меньшую сторону.

Элеватор — это энергонезависимое устройство, понижающее давление и температуру входящего теплоносителя путем подмешивания охлажденной воды, поступающей из системы отопления. Показанный выше на фото элемент входит в состав схемы теплового узла, устанавливается между подающим и обратным трубопроводом.

Третья функция элеватора – обеспечить циркуляцию воды в домовом контуре (как правило, однотрубной системы). Вот почему данный элемент представляет интерес – при внешней простоте он совмещает 3 устройства – регулятор давления, смесительный узел и водоструйный циркуляционный насос.

Элеваторный элемент со сменным соплом

Этапы шайбирования системы отопления

• Гидравлический расчет системы отопления, расчет шайб
• Разработка рекомендаций по улучшению работы теплопункта, системы отопления
• Установка регулирующих шайб на стояках (эту работу может проводить заказчик самостоятельно)

• Проверка выполнения рекомендованных мероприятий
• Анализ нового установившегося режима после шайбирования системы отопления
• Корректировка размера шайб в местах, где не достигнут требуемый результат (расчетным путем)
• Демонтаж шайб, требующих корректировки, установка новых шайб

На внутренних системах отопления шайбы можно устанавливать и зимой и летом. Проверять их работу – только в отопительный сезон.

Принцип работы элеватора

Внешне конструкция напоминает большой тройник из металлических труб с присоединительными фланцами на концах. Как устроен элеватор внутри:

• левый патрубок (смотри чертеж) представляет собой сужающееся сопло расчетного диаметра;
• за соплом располагается смесительная камера цилиндрической формы;
• нижний патрубок служит для присоединения обратной магистрали к смешивающей камере;
• правый патрубок – это расширяющийся диффузор, направляющий теплоноситель в отопительную сеть многоэтажного дома.

На чертеже патрубок эжектируемого потока условно показан сверху, хотя обычно он располагается снизу

Примечание. В классическом исполнении элеватор не требует подключения к домовой электросети. Обновленный вариант изделия с регулируемым соплом и электроприводом присоединяется к внешнему источнику питания.

Стальной элеваторный узел подключается левым патрубком к подающей магистрали централизованной тепловой сети, нижним – к обратному трубопроводу. С обеих сторон элемента ставятся отсекающие задвижки, плюс сетчатый фильтр – отстойник (иначе – грязевик) на подаче. Традиционная схема теплового пункта с элеватором также включает манометры, термометры (на обеих линиях) и прибор учета потребленной энергии.

Теперь рассмотрим, как работает элеваторная перемычка:

1. Перегретая вода из сети теплоснабжения проходит через левый патрубок к соплу.
2. В момент прохождения сквозь узкое сечение сопла под высоким давлением течение потока ускоряется согласно закону Бернулли. Начинает действовать эффект водоструйного насоса, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя в системе.
3. В зоне смесительной камеры напор воды снижается до нормы.
4. Струя, движущаяся с высокой скоростью в диффузор, создает разрежение в камере смешивания. Возникает эффект эжекции – поток жидкости с более высоким давлением увлекает через перемычку теплоноситель, возвращающийся из отопительной сети.
5. В камере элеватора отопления происходит перемешивание охлажденной воды с перегретой, на выходе из диффузора получаем теплоноситель нужной температуры (до 95 °С).

Уточнение. Стоит отметить, что элеваторный узел также использует в работе принцип инжекции – смешивание двух струй с одновременной передачей энергии. Напор результирующего потока становится меньше, чем первоначального, но больше подсасываемого из обратки. Более понятно процесс показан на видео:

Главное условие нормальной работы элеватора – достаточный перепад давлений между магистральной подачей и обратной линией. Указанной разницы должно хватить на преодоление гидравлического сопротивления домового отопления и самого инжектора. Обратите внимание: вертикальная перемычка врезается в обратку под углом 45° для лучшего разделения потоков.

На подаче из теплосети давление самое высокое, при выходе из диффузора – среднее, в обратной магистрали — наиболее низкое. То же самое в элеваторе происходит с температурой воды

Контроль

Контролирующая организация — опять-таки теплосети.
Что именно они контролируют?

• Несколько раз в течение зимы проводятся контрольные замеры температур и давлений подачи, обратки и смеси
  . При отклонениях от температурного графика расчет элеватора отопления проводится заново с расточкой или уменьшением диаметра сопла. Разумеется, этого не стоит делать в пик холодов: при -40 на улице подъездное отопление может прихватить льдом уже через час после остановки циркуляции.
• В рамках подготовки к отопительному сезону проверяется состояние запорной арматуры
  . Проверка предельно проста: все задвижки в узле перекрываются, после чего открывается любой контрольный вентиль. Если вода из него поступает — нужно искать неисправность; кроме того, в любом положении задвижек у них не должно быть течей по сальникам.
• Наконец, в конце отопительного сезона элеваторы в системе отопления наряду с самой системой проходят испытания на температуру . Теплоноситель при отключенной подаче ГВС разогревается до максимальных значений.

Технические характеристики стандартных изделий

Линейка элеваторов заводского изготовления состоит из 7 типоразмеров, каждому присвоен номер. При подборе учитывается 2 основных параметра – диаметр горловины (камеры смешения) и рабочего сопла. Последнее представляет собой съемный конус, который при необходимости меняется.

Размеры составных элементов изделия смотрите ниже в таблице

Замена сопла производится в двух случаях:

1. Когда проходное сечение детали увеличивается в результате естественного износа. Причина выработки – трение абразивных частиц, содержащихся в теплоносителе.
2. Если необходимо изменить коэффициент смешивания – повысить либо снизить температуру воды, подающейся в домовую систему теплоснабжения.

Номера стандартных элеваторов и основные размеры приведены в таблице (сопоставляйте с обозначениями на чертеже).

Обратите внимание: в технических характеристиках не указывается проходное сечение сопла, поскольку этот диаметр рассчитывается отдельно. Чтобы подобрать номер готового элеваторного тройника под конкретную отопительную систему, необходимо также вычислить потребный размер смесительно-инжекционной камеры.

Принцип функционирования

Наилучшим примером, который покажет элеватор отопления принцип работы, будет многоэтажный дом. Именно в подвале многоэтажного дома среди всех элементов можно отыскать элеватор.

Первым делом, рассмотрим, какой в данном случае имеет элеваторный узел отопления чертеж. Здесь два трубопровода: подающий (именно по нему горячая вода идет к дому) и обратный (остывшая вода возвращается в котельную).

Схема элеваторного узла отопления

Из тепловой камеры вода попадает в подвал дома, на входе обязательно стоит запорная арматура. Обычно это задвижки, но иногда в тех системах, которые более продуманы, ставят шаровые краны из стали.

Как показывают стандарты, есть несколько тепловых режимов в котельных:

• 150/70 градусов;
• 130/70 градусов;
• 95(90)/70 градусов.

Когда вода нагреет до температуры не выше 95-ти градусов, тепло будет распределено по отопительной системе при помощи коллектора. А вот при температуре выше нормы – выше 95 градусов, все становится намного сложнее. Воду такой температуры нельзя подавать, поэтому она должна быть уменьшена. Именно в этом и состоит функция элеваторного узла отопления. Заметим также и то, что охлаждение воды таким образом – это самый простой и дешевый способ.

Расчет и подбор элеватора по номеру

Сразу уточним порядок действий: первым делом рассчитывается диаметр смешивающей камеры и выбирается подходящий номер элеватора, затем определяется размер рабочего сопла. Диаметр инжекционной камеры (в сантиметрах) вычисляется по формуле:

Участвующий в формуле показатель Gпр – это реальный расход теплоносителя в системе многоквартирного дома с учетом ее гидравлического сопротивления. Величина рассчитывается так:

• Q – количество теплоты, расходуемое на обогрев здания, ккал/ч;
• Тсм – температура смеси на выходе из элеваторного тройника;
• Т2о – температура воды в обратной линии;
• h – сопротивление всей разводки отопления вместе с радиаторами, выраженное в метрах водного столба.

Справка. Чтобы вставить в формулу непонятные килокалории, нужно знакомые ватты умножить на коэффициент 0.86. Метры водного столба преобразуются в более распространенные единицы: 10.2 м вод. ст. = 1 Бар.

Пример подбора номера элеватора. Мы выяснили, что реальный расход Gпр составит 10 тонн смешанной воды за 1 час. Тогда диаметр смесительной камеры равен 0.874 √10 = 2.76 см. Логично взять смеситель №4 с камерой 30 мм.

Теперь выясняем диаметр узкой части сопла (в миллиметрах) по следующей формуле:

• Dr – определенный ранее размер инжекторной камеры, см;
• u – коэффициент смешивания;
• Gпр – наш расход готового теплоносителя на подаче в систему.

Хотя внешне формула кажется громоздкой, но в действительности расчеты не слишком сложные. Остается неизвестным один параметр – коэффициент инжекции, вычисляемый так:

Все обозначения из данной формулы мы расшифровали, кроме параметра Т1 – температуры горячей воды на входе в элеватор. Если предположить, что ее величина составляет 150 градусов, а температура подачи и обратки 90 и 70 °С соответственно, искомый размер Dc выйдет 8.5 мм (при расходе 10 т/ч воды).

Когда известна величина напора Нр на входе в элеватор со стороны централи, можно воспользоваться альтернативной формулой определения диаметра:

Замечание. Результат вычисления по последней формуле выражается в сантиметрах.

Итоги

В этой статье мы выяснили, что такое элеватор в системе отопления, из чего он состоит и как работает. Как выяснилось, такое оборудование широко распространено благодаря своим неоспоримым преимуществам. Нет предпосылок для того, чтобы коммунальные предприятия отказались от них.

Альтернативы для этого оборудования есть, но они отличается своей высокой стоимостью, меньшей надежностью и энергоэффективностью, потому что требуют для своей работы электричество и периодические ремонты.

Основной расчетной характеристикой для элеватора является коэффициент смешения U, определяющий отношение расхода охлажденной воды системы к расходу горячей воды тепловой сети:

где:t c – температура воды теплой сети, о С;

t r – температура горячей воды системы отопления, о С;

t o – температура охлажденной воды системы отопления, о С.

Для подбора элеватора определяем давление, создаваемое насосом ∆p нас, Па, по формуле:

. (20)

где p э – располагаемое давление в тепловой сети на вводе в здание перед элеватором.

Диаметр горловины элеватора (камеры смешения) d r , мм, определяем по формуле:

. (21)

где G с – расчетный расход сетевой воды, кг/ч.

. (22)

где: с – теплоемкость воды, равная 4,18 кДж/(кг* 0 С);

β 1 – поправочный коэффициент, учитывающий дополнительный тепловой поток устанавливаемых ОП за счет округления сверх расчетной величины (β 1 =1,05);

β 2 — поправочный коэффициент, учитывающий дополнительные теплопотери ОП у наружных ограждений (β 2 =1,02).

По формуле (19) определяем коэффициент смешения, для которого t r =95 о С, t c =130 о С, t o =70 о С

U = (130-95)/(95-70) =1,4;

Определяем давление создаваемое насосом по формуле (20), для которого p э =120 кПа

∆p нас = 120/(1,4*(1+1,4) 2)=14,88 кПа;

Расчетный расход сетевой воды определяем по формуле (22) для которого β 1 =1,05, β 2 =1,02.

Диаметр горловины элеватора (камеры смешения) определяем по формуле (21):

мм.

По таблице 1 выбираем элеватор №5 с диаметром камеры смешения 35 мм и длиной 625 мм.

5 Гидравлический расчет системы водяного отопления

Гидравлический расчет системы водяного отопления производим для определения диаметров теплопроводов при заданной тепловой нагрузке и расчетном циркуляционном давлении. Расчет производим по методу средних удельных потерь.

Первоначально выбираем главное циркуляционное кольцо, проходящее через верхний отопительный прибор дальнего стояка. Определяем среднее значение удельного падения давления по главному циркуляционному кольцу:

, (24)

где K- коэффициент, учитывающий долю потери давления на местные сопротивления(для систем с искусственной циркуляцией k=0.35);

l – суммарная длина расчетных участков, м.

p c – расчетное циркуляционное давление(принимаем равным p нас (формула 20))

Определяем расход воды расчетных участков G уч, кг/ч:

, (25)

где Q – тепловая нагрузка участка, составленная из тепловых нагрузок отопительных приборов, Вт;

С – теплоемкость воды – 4,18 кДж/(кгС);

t 2 — t 0 – перепад температур в системе, С

Ориентируясь на R уд ср и G уч с помощью таблицы-приложения 6 подбираем фактический диаметр участка d и величину удельной потери давления на трение на каждом участке, перемножая R уд ф с длиной участка.

Находим потери давления на местные сопротивления:

, (26)

где P д – значение динамического давления, Па (приложение 7, стр. 457),

 — коэффициент местного сопротивления(приложение 5).

Местное сопротивление тройников и крестовин относят к расчетным участкам с меньшим расходом воды; местное сопротивление отопительных приборов учитывается поровну в каждом примыкающем к ним трубопроводе.

Общие потери давления на участке при выбранных диаметрах:

, (27)

Далее суммируем все потери в кольце, причем получившееся число должно быть в пределах от(0,9 — 0,95)P c располагаемого давления в кольце. Если условие это не выполняется, то необходимо выполнить перерасчет участков до выполнения условия.

Данные заносим в таблицу 5.1

Таблица 5.1 — Ведомость расчетов вентиляционных каналов

6 Конструирование и расчет вытяжной вентиляции

.

Жилое здание оборудуем вытяжной естественной канальной вентиляцией. Количество удаляемого воздуха должно быть не менее 3м 3 /ч на 1м 2 жилой площади. Удаление воздуха производим через решетки, расположенные на 0,5м ниже потолка. Согласно правилам пожарной безопасности не присоединяют к одному вытяжному каналу помещения, расположенные на разных этажах. Движение воздуха в воздуховоде возникает за счет разности давлений внутри помещения и снаружи у выхода воздуховода; называемой располагаемым давлением, определяемым как:

, (28)

где h-высота, в метрах, воздушного столба от середины вытяжного отверстия до устья шахты;

 н — плотность наружного воздуха при t н =5С ( н -1,27кг/м 3);

 в — плотность воздуха вентилируемого помещения при 18С ( в =1,21 кг/м 3) .

В качестве расчетной ветви принимаем вентканал верхнего этажа, как наиболее близко расположенный к устью шахты.

Предварительно определяем площадь сечения канала F,м 2 , по формуле:

, (29)

где W-скорость воздуха в канале, м/с.

L-воздухообмен вентилируемого помещения, м 3 /ч.

, (30)

Производим перерасчет прямоугольного канала на эквивалентный диаметр d э, м, по формуле:

, (31)

где a и b – размеры сторон прямоугольного воздуховода, мм.

По величине W и d э по номограмме определяем величину удельного сопротивления R, Па/м. Потери давления в ветви вентиляции p пот,Па, определяем как сумму потерь давления на трение и местные сопротивления:

где l – длина ветви участка, м;

 — коэффициент шероховатости (табл. А17);

 — сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке, определяем на основании таблицы А18;

p  — динамическое давление, Па, определим по номограмме(рисунок А2.

Величина потерь давления должна быть равна или меньше располагаемого давления. Если отклонение в потерях давления составляет более 10%, необходимо изменить размеры сечения канала. Результаты измерений заносим в таблицу 6.1.

Lк=90

Lсу(2)=50

Lсу(1)=25+25=50 м 3 /ч.

Отопительная система является одной из важнейших систем жизнеобеспечения дома. В каждом доме применяется определенная система отопления, но не каждый пользователь знает, что такое элеваторный узел отопления и как он работает, его назначение и те возможности, которые предоставляются с его применением.

Элеватор отопления с электроприводом

Распределительные устройства

Элеваторный узел со всей своей обвязкой можно представить как нагнетательный циркуляционный насос, который под определенным давлением подает теплоноситель в отопительную систему.

Если на объекте несколько этажей и потребителей, то самое верное решение – распределение общего потока теплоносителя каждому потребителю.

Для решения таких задач предназначена гребенка для системы отопления, которая имеет другое название – коллектор. Это устройство можно представить в виде емкости. В емкость с выхода элеватора втекает теплоноситель, который затем вытекает через несколько выходов, причем с одинаковым напором.

Следовательно, гребенка распределительная системы отопления позволяет отключение, регулировку, ремонт отдельных потребителей объекта без остановки работы контура отопления. Наличие коллектора исключает взаимное влияние ответвлений системы отопления. При этом давление в соответствует давлению на выходе элеватора.