Непременным элементом любого комплекса отопительного оборудования являются манометры и предохранительный клапан, соответственно визуализирующие процесс изменения давления в системе отопления и предохраняющие от превышения им предельно допустимой величины.
Манометры служат для контроля данной величины, фиксации ее отклонений от номинальных значений. Снижение их на 0,02 МПа (0,2 ат) является сигналом для поиска утечек теплоносителя или проверки достаточности давления газа (воздуха) в расширительном бачке. Ввод системы в эксплуатацию предваряется обязательным этапом гидроиспытаний повышенным давлением, выявляющих места потенциальных утечек, подлежащих заблаговременному ремонту.
Какое давление показывает манометр?
Эта физическая величина характеризует степень сжатия среды, в нашем случае – жидкого теплоносителя, закачанного внутрь системы отопления. Измерить любую физическую величину означает сравнить ее с некоторым эталоном. Процесс измерения давления жидкого теплоносителя любым механическим манометром (вакуумметром, мановакуумметром) представляет сравнение его текущей величины в точке размещения прибора с атмосферным давлением, играющим роль эталона измерения.
Чувствительные элементы манометров (трубчатые пружины, мембраны, и др.) сами находятся под действием атмосферы. Наиболее распространенный пружинный манометр имеет чувствительный элемент, представляющий один виток трубчатой пружины (см. поз. рисунка ниже). Верхний конец трубки запаян и связан поводком 4 с зубчатым сектором 5, сцепленным с шестеренкой 3, на вал которой насажена стрелка 2.
Устройство пружинного манометра.
Исходное положение трубки-пружины 1, соответствующее нулю шкалы измерения, определяется деформацией формы пружины давлением атмосферного воздуха, заполняющего корпус манометра. Жидкость, поступающая внутрь трубки 1, стремится дополнительно деформировать ее, поднимая верхний запаянный конец выше на расстояние l, пропорциональное своему внутреннему давлению. Сдвиг конца трубки-пружины преобразуется передаточным механизмом в поворот стрелки.
Угол φ отклонения последней пропорционален разности полного давления жидкости в трубке-пружине 1 и местного атмосферного. Измеренное таким прибором давление называется манометрическим или избыточным. Точкой его отсчета является не абсолютный нуль величины, эквивалентный отсутствию воздуха вокруг трубки 1 (вакуум), а местное атмосферное давление.
Известны манометры, показывающие абсолютное (без вычета атмосферного) давление среды. Сложное устройство плюс высокая цена препятствуют широкому использованию таких приборов в системах отопления.
Величины давлений, указываемых в паспортах любых котлов, насосов, запорной (регулирующей) арматуры, трубопроводов являются именно манометрическими (избыточными). Измеряемая манометрами избыточная величина используется в гидравлических (тепловых) расчетах отопительных систем (оборудования).
Манометры в системе отопления.
Теплоноситель в статическом и динамическом состояниях
Теплоноситель любой системы отопления может находиться в двух состояниях:
- неподвижном (статическом), когда отсутствует нагрев в гравитационной системе (отсутствует естественная циркуляция) или выключен циркуляционный насос в системе с принудительной циркуляцией;
- подвижном (динамическом), вызываемом такими причинами: естественной циркуляцией теплоносителя, побуждаемой градиентом давления вследствие неравномерности прогрева рабочей жидкости вдоль контура гравитационной системы отопления;
- принудительной циркуляцией теплоносителя, побуждаемой циркуляционным насосом;
- тепловым расширением теплоносителя, побуждающим его вытеснять воздух/газ из расширительных баков, занимая освободившиеся объемы.
Неподвижный теплоноситель оказывает на внутренние поверхности элементов системы только (гидро)статическое давление, изучаемое гидростатикой. Движущийся теплоноситель характеризуется (гидро)динамическим давлением, изучаемым гидродинамикой. Оно складывается из статической составляющей, затем части, определяемой тепловым расширением жидкости, наконец составляющей, создаваемой т.наз. скоростным напором движущейся жидкости. Далее, рассматривая движущийся нагретый теплоноситель, будем использовать термин рабочее (результирующее) давление.
Сила тяжести
Гравитация — одна из четырех сил природы. Мощь гравитационной силы между двумя объектами зависит от массы этих объектов. Чем массивнее объекты, тем сильнее гравитационное притяжение.
Когда выливается вода из контейнера, гравитация Земли притягивает воду к земной поверхности. Можно наблюдать тот же самый эффект, если на разных высотах разместить два ведра воды и соединить их трубкой.
Достаточно задать ход жидкости в трубке из одного ведра в другой, после чего сработает сила гравитации, и процесс перелива продолжится самопроизвольно. Гравитация, приложенные силы и атмосферное давление являются статическими факторами, которые в равной степени относятся к жидкостям, находящимся в покое или в движении.
Силы инерции и трения являются динамическими факторами, которые действуют только на жидкости в движении. Математическая сумма силы тяжести, приложенной силы и атмосферного давления, представляет собой статическое давление, полученное в любой зоне жидкости и в любой момент времени.
Составляющие рабочего давления в системе отопления
Гидростатическая составляющая
Определяется конструкцией системы и не зависит от работы циркуляционного насоса. Известны два конструктивных типа систем:
- открытого типа;
- (герметично) закрытого типа.
Два основных конструктивных типа систем отопления.
Теплоноситель открытой системы имеет свободную поверхность внутри расширительного бака, установленного вверху системы для вывода воздушных пузырей. В любой точке такой системы действует статическое давление, равное весу столба жидкости над ней, плюс местное атмосферное давление. Показания манометра, установленного в нижней точке открытой системы, будут максимальными, вблизи свободной поверхности жидкости они будут почти нулевыми.
(Гидро)статическую составляющую удобно измерять в метрах водяного столба (м. вод. ст), учитывая, что столб воды высотой 10 м любого сечения/формы (независимо от числа/длины горизонтальных участков) создает давление на свое основание, равное 1 ат ≈1 бар.
Рассмотрим некоторую открытую систему отопления (теплоноситель неподвижен).
Статическое давление на разных уровнях.
Над верхним манометром расположен водяной столб высотой 6 м –5,5 м = 0,5 м. Показания прибора будут равны 0,05 ат. Над средним манометром одновременно расположены два столба воды. Первый высотой 6 м –2 м =4 м образован вертикальным двухтрубным стояком с радиаторами, второй – трубопроводом расширительного бака и самим баком, высота столба равна 7 м – 2 м = 5 м. Средний манометр покажет 0,5 ат. Над нижним манометром находится столб воды 7 м –0.7 м = 6,3 м. Его показания будут равны 0,63 ат.
Закрытая система оснащена герметичным расширительным бачком, имеющим две камеры (газовую, жидкостную), разделенные эластичной мембраной. Статическое давление неподвижной (установившийся режим) жидкости на мембрану должно уравновешиваться сопротивлением сжатию газа (сжатого воздуха, азота). Начальное статическое давление холодного теплоносителя закрытой системы, устанавливаемое при первоначальном заполнении, должно удовлетворять двум следующим требованиям:
- быть достаточно большим для предотвращения «завоздушивания» системы через элементы, периодически сообщающиеся с атмосферой: воздухоотводчики, предохранительные клапаны, сливные вентили и др.;
- не слишком превышать давление газа внутри мембранного бачка, чтобы заполняющий систему теплоноситель не занял весь его объем. Иначе не останется места, чтобы принять избыточный объем нагретой рабочей жидкости.
Ориентировочно статическое давление залитого холодного теплоносителя принимается равным 1,5-1,6 ат ≈ 1,5-1,6 бара, что соответствует нижней точке системы на «обратке» перед/после насоса (см.рис. ниже). Именно до такой степени сжат азот, закачиваемый в «фирменные» мембранные бачки заводами-изготовителями. Настроечное давления газа бачка следует устанавливать (подкачивая/стравливая газ) ниже гидростатического давления жидкости в месте установки на 0,1 ат≈0,1 бара, чтобы немного жидкости сразу зашло внутрь. Этот объем пригодится, если непрогретый теплоноситель подвергнется внезапному (ночному) охлаждению. Сжатие рабочей жидкости вследствие такого охлаждения при отсутствии теплоносителя внутри бачка неизбежно вызовет «завоздушивание» системы.
Типовое настроечное давление мембранного бачка (нижняя установка).
На выносных флажках показаны величины типовых статических давлений теплоносителя в характерных точках. Мембранный бачок может быть установлен вверху системы. Типовые статические давления теплоносителя, соответствующие верхней установке бачка, показаны на следующем рисунке.
Настроечное давление газа при верхней установке мембранного бачка.
(Гидро)динамическая составляющая
Движение теплоносителя является следствием работы циркуляционного насоса, создающего в любом замкнутом контуре системы отопления градиент (гидро)динамического давления, непрерывно снижающегося от выходного до входного патрубка насоса. Любой насос характеризуется создаваемым напором H, м. Физический смысл напора – приращение энергии жидкости после прохождения рабочей камеры насоса. Практически напор отождествляют с давлением, интерпретируя его как высоту обеспечиваемого насосом вертикального столба воды (измеряется в м. вод.ст).
Любой (сколь угодно малый) выделенный объем жидкости, ограниченный площадками, перпендикулярными направлению движения, со стороны, обращенной к выходному патрубку, оказывается сжатым сильнее, чем со стороны входного патрубка. Силы, создаваемые давлением на противоположные (по ходу контура) стороны объема, оказываются неуравновешенными, жидкость приходит в движение, описываемое уравнением Бернулли – основным уравнением гидродинамики.
Хотя внутри чувствительных элементов манометров жидкость неподвижна, динамическая составляющая добавляет к исходной статической некоторую величину, воспринимаемую приборами как увеличение (гидро)статического давления теплоносителя. Однако данное увеличение маскируется гораздо большей (1,2 – 2,2 бар/°С) составляющей, возникающей при тепловом расширении. Внутренний объем системы характеризуется распределением результирующего рабочего давления теплоносителя, создаваемого статической, динамической, тепловой составляющими.
Тепловая составляющая
Увеличение объема воды при нагревании на 100 °С равно 4 %. Вроде бы немного. Однако отсутствие свободного объема для размещения избытка жидкости вызывает (в абсолютно жесткой системе) рост давления около 3 ат/°С. Значит, нагрев ледяной воды до температуры кипения вызовет рост этой величины порядка 300 ат!
Реальные трубопроводы деформируются при нагреве теплоносителя. Они расширяются, предоставляя нагревающейся жидкости больший объем. Поэтому реальный рост давления оказывается несколько ниже:
- в стальных (медных) трубах – примерно 2, 2 ат/°С;
- в полиэтиленовых (полипропиленовых), металлопластиковых трубах – около 1,2 ат/°С.
Даже неспециалисту очевидна невозможность допускать подобный прирост, вызываемый тепловым расширением воды. Антифризы, кстати, имеют еще больший коэффициент теплового расширения. Избыточный объем горячего теплоносителя принимает внутрь себя мембранный расширительный бачок.
Принцип работы мембранного бачка.
Важно правильно выбирать емкость расширительного бака. Специалисты,занимаясь этим, оперируют довольно сложными формулами. Однако практика проектирования/эксплуатации закрытых систем отопления выработала следующее правило: емкость расширительного бака равна 10 % емкости системы.
Правильно выбранные емкость/место установки расширительного бака обеспечивают прирост давления теплоносителя (при максимальном нагреве) примерно 1-1,5 ат, что дает конечную величину 2,5-3 ат. Важно также настроить предохранительный клапан системы на величину, примерно равную (превышение максимум 10 % !) предельно допустимой для отопительного котла. Обычно она составляет около 3 ат.
Распределение по системе рабочего давления теплоносителя, показываемого манометрами, будет аналогично распределению гидростатической его составляющей: максимальные значения (заведомо большие гидростатических) будут внизу системы отопления, минимальные (также заведомо большие гидростатических) – вверху системы. Это обстоятельство следует учитывать, выбирая место установки расширительного бачка.
Общие сведения
Вопросы по термину
Давление в сети можно разделить на две главные составляющие:
Также есть отдельное понятие, как предельное рабочее давление. Это величина, максимальная допустимая, и если ее превысить, это будет чревато разрушением некоторых элементов сети.
Какое давление в отопительной системе можно считать оптимальным
Во время проектирования отопительной системы давление воды (теплоносителя) внутри системы рассчитывают по этажности здания, общей длине труб и суммарного количества радиаторов. Как правило, для коттеджей и частных домов оптимальные показания давления среды в контуре отопления расположены в диапазоне т 1.5-2 атм.
Для домов, в которых много квартир и их высота ограничивается пятью этажами, а также те, которые подключены к системе центрального отопления, давление в сети колеблется от 2 до 4 атм. Для домов в 9-10 этажей считается нормальным давлением от 5 до 7 атм, а при постройках, которые выше 10 этажей, нормой будет давление от 7 до 10 атм.
Для тех потребителей, которые находятся на разной высоте и на разном расстоянии от котельной, напор в сети можно скорректировать. Для снижения давления используют особые регуляторы давления, а для того, чтобы повысить – станции с насосами. Но все же следует учитывать, что неисправный регулятор иногда становится причиной повышения давления на определенных участках системы. В определенных случаях, если падает температура, такие приборы могут в полной мере перекрыть запорную арматуру на трубопроводе подающего типа, который идет от котельной установки. Чтобы избежать таких ситуаций, следует скорректировать настройки регулятором так, чтобы клапана не были полностью перекрыты.
Автономные отопительные системы
Если в доме нет централизованного снабжения теплом, то обычно устанавливать автономные отопительные системы, которые отличаются от центрального теплоснабжения тем, что теплоноситель прогревается благодаря работе индивидуального котла малой мощности. Если система выполнена так, что она сообщается с атмосферой через бачок расширения и теплоноситель циркулирует благодаря естественной конвекции, ее можно называть открытой.
Если нет никакого пути сообщения с атмосферой, а рабочая среда циркулирует за счет насоса, система называется закрытой. Как уже было упомянуто, для нормальной работы такой системы давление должно быть от 1.5 до 2 атм. Такой показатель обусловлен небольшой протяженностью трубопровода, а еще малым количеством приборов и арматуры, в результате чего получается относительно небольшое гидравлическое сопротивление. Помимо этого, из-за малой высоты домов статическое давление в системе отопления на нижнем участке контура редко превышает 0,5 атм.
При запуске автономной системы ее следует заполнить холодной водой или другим теплоносителем, и выдержать минимальное давление в закрытой системе на 1.5 атм. Не бейте тревогу, если спустя какое-то время после того, как контур заполнится, давление станет ниже. Потеря давления в этом случае обусловлена тем, что из воды выходит воздух, который был при заполнении трубопровода. Контур требуется развоздушить и полностью залить водой, а после довести давление до 1.5 атм. После того, как теплоноситель будет разогрет в отопительной системе, его давление немного увеличится и достигнет расчетного рабочего значения.
Превышение давлением теплоносителя предельной величины
Если процесс эксплуатации сопровождается частыми «подрывами» предохранительного клапана, следует проанализировать возможные причины происходящего:
- заниженная емкость расширительного бачка;
- завышенное настроечное давление газа/воздуха в бачке;
- неправильно выбрано место установки.
Наличие бачка емкостью от 10 % полной емкости системы отопления является практически стопроцентной гарантией исключения первой причины. Впрочем 10 % не являются минимально возможной емкостью. Грамотно спроектированная система может нормально работать и при меньшей величине. Однако определить достаточность емкости бачка сможет только специалист, владеющий методикой соответствующего расчета.
Вторая и третья причины тесно взаимосвязаны между собой. Предположим, что воздух/газ накачан до 1,5 бара, а место установки бачка выбрано вверху системы, где рабочее давление, допустим, всегда ниже 0,5 бара. Газ всегда будет занимать весь объем бачка, а расширяющийся теплоноситель останется снаружи. Внизу системы теплоноситель будет давить на трубы теплообменника котла особенно сильно. Регулярный «подрыв» предохранительного клапана будет обеспечен!
Меры безопасности
То, что установлен расширительный бачок, не всегда может дать гарантию на поддержание оптимального показателя давления.
В определенных случаях оно может даже превышать максимально допустимые значения:
По этой причине чтобы избежать аварийные ситуации при создании отопительных систем закрытого типа, следует обязательно устанавливать предохранительный клапан, который будет сбрасывать лишний теплоноситель при превышении допустимого значения давления.
Снижение давления теплоносителя ниже нормы – следствие его утечки
Если значение величины, показываемое при отсутствии циркуляции, снизилось от 0,02 бара, причем давление газа в расширительном бачке нормальное, можно начинать искать утечки жидкости. Хорошо, если они визуально проявляются. Малозаметные мелкие утечки выявляют путем пневмоиспытаний системы. Закачав внутрь сжатый воздух, ожидают появления шипения (свиста) в местах разгерметизации. Обычно они наблюдаются в местах соединений трубопроводов с элементами арматуры и отопительными приборами. Хорошей профилактикой появлению утечек теплоносителя является опрессовка системы. Так именуются гидроиспытания повышенным давлением. Для заполнения системы водой используется ручной насос, позволяющий плавно поднимать его величину. Подняв ее до определенного уровня, делают паузу на полчаса, контролируя показания манометра. Спад первоначального значения – явный признак утечки, которую вновь ищут визуально или на слух, проводя пневмоиспытания.
Технология проведения опрессовки.
Технологии проведения ремонтов систем отопления постоянно развиваются. Относительно недавно в России получил распространение метод устранения утечек в трубопроводных системах, включая отопительные, основанный на добавлении внутрь системы (посредством насоса) жидкого герметика. Растворяясь в объеме теплоносителя, герметик в местах утечек реагирует с воздухом, образуя прочный уплотняющий слой, ликвидируя любые течи за 1-7 дней (срок определяется размерами дефектов). Соотношение герметик/теплоноситель для продукта германской марки BCG равно 1:100. Поэтому ремонт системы емкостью 100-200 л обеспечит всего 1-2 л герметика.
Закон Паскаля
Фундаментальная основа современной гидравлики сформировалась, когда Блезу Паскалю удалось обнаружить, что действие давления жидкости неизменно в любом направлении. Действие жидкостного давления направлено под прямым углом к площади поверхностей.
Если измерительное устройство (манометр) разместить под слоем жидкости на определенной глубине и направлять его чувствительный элемент в разные стороны, показания давления будут оставаться неизменными в любом положении манометра.
То есть давление жидкости никак не зависит от смены направления. Но давление жидкости на каждом уровне зависит от параметра глубины. Если измеритель давления перемещать ближе к поверхности жидкости, показания будут уменьшаться.
Соответственно, при погружении измеряемые показания будут увеличиваться. Причём в условиях удвоения глубины, параметр давления также удвоится.
Закон Паскаля наглядно демонстрирует действие давления воды в самых привычных условиях для современного быта
Отсюда логичный вывод: давление жидкости следует рассматривать прямо пропорциональной величиной для параметра глубины. В качестве примера рассмотрим прямоугольный контейнер размерами 10х10х10 см., который заполнен водой на 10 см глубины, что по объёмной составляющей будет равняться 10 см 3 жидкости.
Этот объём воды в 10 см 3 весит 1 кг. Используя имеющуюся информацию и уравнение для расчёта, несложно вычислить давление на дне контейнера. Например: вес столба воды высотой 10 см и площадью поперечного сечения 1 см 2 составляет 100 г (0,1 кг). Отсюда давление на 1 см 2 площади:
