Гравитационная циркуляция

Гравитационная циркуляция (самотёчная система).

Реальность и заблуждения.

Гравитационную циркуляцию, в просторечии ещё называют естественной циркуляцией. Система с гравитационной циркуляцией, отличается от системы с принудительной (насосной) циркуляцией тем, что циркуляция теплоносителя. осуществляется не под воздействием силы электрического циркуляционного насоса, а под воздействием силы гравитации.

Может возникнуть вопрос: «За счет чего же гравитация может заставлять теплоноситель циркулировать?».

Попробую объяснить так. Представьте себе, что Вы поставили на левую и правую чаши весов по одинаковой открытой канистре, заполненных водой до краев (и соединенных между собой снизу трубочкой, т.е. сообщающиеся сосуды). А затем стали нагревать воду в левой канистре (даже просто на лучах Солнца). В результате нагрева, вода в левой канистре расширится (при этом уменьшиться её удельный вес, т.е. плотность), станет больше объемом. А так как наша канистра была заполнена до краёв, то часть воды выльется на землю (в отопительной системе эта часть воды не выливается, а выдавливается в расширительный бак, накапливаясь в нём.).

Догадываетесь, что левая канистра станет легче, чем правая? В результате левая чаша весов будет подниматься вверх, а правая чаша будет опускаться.

Если теперь попробовать представить себе, что эти канистры были подвешены тросиком к вращающемуся блоку (колёсику с крюком), подвешенному к потолку. То пока вода в канистрах была одной температуры, обе канистры весили одинаково. Когда же вода в левой канистре нагрелась, то из-за вылившейся на землю из нее воды, эта канистра стала чуть легче правой. Понятно, что при этом левая канистра начнет подниматься вверх, потому, что правая канистра оказалась тяжелее, и перевешивает левую канистру.

Тот же принцип используется и для осуществления гравитационной циркуляции. Представьте себе, что левая канистра – это котел, в котором теплоноситель непрерывно нагревается. А правая канистра – это радиаторы, в которых вода непрерывно остывает. Только канистры соединены между собой трубочками и пОнизу и пОверху в кольцо. Такое кольцо в отоплении называют циркуляционным кольцом. Тогда получается, что правая часть кольца движения теплоносителя. всегда оказывается тяжелее левой части (пока греет котел).

Сила «перевешивания» (величина давления) образующаяся от разницы веса левой и правой «канистры» называется в гидравлике гравитационным напором. И под воздействием этой силы (гравитационного напора), теплоноситель непрерывно будет циркулировать от котла к радиаторам, доставляя к радиаторам тепло, пока греет котел. Гравитационный напор измеряют в Паскалях или метрах водяного столба или Барах.


Величина гравитационного напора в циркуляционном кольце, будет зависеть от разницы высоты центра топки котла (центра нагрева) и центра охлаждения (отопительные приборы). Обращу внимание на важный момент, что центр охлаждения далеко не всегда совпадает с центром радиаторов (конвекторов и пр.), а может находиться выше ( дальше в этой статье подробнее опишу, где может располагаться центр охлаждения ). Так как трубы тоже отдают тепло и работают как отопительные приборы.

Многие слышали расхожее объяснение возникновения гравитационного напора, что, дескать, гравитационная циркуляция возникает, потому, что «горячая вода поднимается наверх». Но, позвольте! Почему это ей вдруг «взбрело в голову» подниматься вверх, за счет какой силы, что заставляет её подниматься? Почему это воздушному шару «взбредает в голову» подниматься, хотя он обладает весом, а гравитацию ещё никто не отменял? Отвечу, что в случае с воздушным шаром такой силой является сила выталкивания объема воздушного шара вверх со стороны окружающего воздуха с меньшим удельным весом (плотностью). Как яблоко в наполненной ванне поднимается вверх за счет выталкивания его окружающей водой. Силы выталкивания. Та сила, которая позволяет морским судам с огромным весом плавать, а не тонуть как брошенная в воду гиря. Закон Архимеда и его сила выталкивания.

Так и горячая вода не сама по себе неизвестно отчего поднимается вверх, а под воздействием силы выталкивания снизу более холодной (более плотной) водой.

Поэтому гораздо легче себе представить, что гравитационный напор возникает не потому, что «горячая вода идет вверх», а потому, что более холодная вода идет вниз, вытесняя более горячую воду через обратную трубу циркуляционного кольца в сторону котла. Т.е. вода нагревается только в котле. Во всех остальных участках трубопровода вода (теплоноситель ) только остывает.

Гравитационный напор будет тем больше, чем больше разница высоты между центрами нагрева (котел) и охлаждения (отопительные приборы). И тем больше, чем разница температур в циркуляционном кольце в центре нагрева и центре охлаждения. На рисунке ниже, разница высот между центрами нагрева и охлаждения обозначена как h.

Но есть и тормозящая циркуляцию сила. Эта сила трения в трубах, зависящая от скорости теплоносителя. шероховатости внутренних стенок труб и от диаметра труб. В гидравлике силу трения называют циркуляционным падением давления. И также измеряют в Паскалях. Это циркуляционное падение давления тем больше, чем больше скорость теплоносителя и шероховатость труб, и меньше, при бОльшем диаметре труб.

Сравню величину гравитационного напора с величиной нажатия на педаль газа в автомобиле, а циркуляционное падение давления (трение в трубах) с величиной угла подъема дороги по которой Вы едете. Скорость Вашего автомобиля будет зависеть не только от степени нажатия на педаль газа, но и от величины градуса подъема дороги, и от увеличивающегося сопротивления воздуха при увеличении скорости. Т.е. чем больше скорость движения теплоносителя в трубах, тем больше гидравлическое сопротивление (трение и циркуляционное падение давления). Циркуляционное падение давления в трубах (трение) можно уменьшить за счет применения труб бОльшего диаметра.

При организации гравитационной циркуляции, нужно учитывать, что образующийся гравитационный напор, намного слабее напора электрического циркуляционного насоса. Гравитационный напор в циркуляционном кольце даже в двухэтажном доме, обычно не более нескольких сотен Паскаль. А циркуляционный напор от электрического насоса обычно составляет несколько десятков тысяч Паскаль.

Поэтому, чтобы циркуляция теплоносителя могла проходить успешно в системах с гравитационной циркуляцией (ЕЦ ), нужно уменьшить циркуляционное падение давления (трение в трубах), увеличив их диаметр по сравнению с системой отопления с принудительной циркуляцией. Иначе, циркуляционное падения давления будет превышать гравитационный напор и циркуляции не будет. Это можно сравнить с тем, что вы пытаетесь въехать в длинный и крутой подъем на автомобиле на четвертой передаче.

Запомним, что главное для организации гравитационной циркуляции то, что центр нагрева теплоносителя (в котле ), должен быть ниже по уровню, чем центр тяжести охлаждающегося в системе теплоносителя (центр охлаждения). На рисунке ниже эта разница высот обозначена как H.

Чем ниже мы сможем опустить котел, относительно радиаторов, тем бОльший гравитационный напор будет возникать. И тем интенсивнее будет происходить циркуляция теплоносителя. И тем мЕньшего диаметры мы сможем сделать трубы для гравитационной циркуляции. Именно поэтому, в двухэтажном доме, организовать гравитационную циркуляцию намного проще, чем в одноэтажном доме, потому что для двух и более этажного дома, разница высот между центрами нагрева и охлаждения будет больше, чем для одноэтажного дома.

Именно поэтому, котлы в системе с гравитационной циркуляцией всегда старались разместить или в подвале, или выкапывали приямок. Т.е. чем ниже котел – тем лучше для гравитационной циркуляции.

Подробнее о центре охлаждения.

Помните, что центр охлаждения может быть не в геометрическом центре радиаторов? И не в середине расстояния от центров радиаторов первого и второго этажа (в случае с двухэтажным домом)?

Рассмотрю этот важный момент подробнее.

Напомню, что гравитационный напор возникает не потому, что «горячая вода идет вверх», а потому, что более холодная вода давит (большим удельным весом, чем горячая) вниз, вытесняя более горячую воду через обратную трубу циркуляционного кольца в сторону котла. Т.е. вода нагревается только в котле. Во всех остальных участках трубопровода вода (теплоноситель ) только остывает. Поэтому вода стремиться вверх только внутри котла. А на всех остальных участках системы отопления вода стремиться только вниз.

Любая труба (в том числе пластиковая) отдает тепло через свои стенки окружающему воздуху. А, следовательно, теплоноситель. протекающий через эту трубу, остывает. А раз теплоноситель остывает, его плотность (и удельный вес) увеличивается по мере охлаждения.

Поэтому, на вертикальном (наклонном) участке трубопровода гравитационный напор направлен вниз. Т.е. при движении теплоносителя вниз, гравитационный напор будет «подталкивать» теплоноситель в направлении его движения. А при движении теплоносителя вверх, гравитационный напор будет «тормозить» движение теплоносителя.

Также хочу добавить, что массовый расход теплоносителя (измеряемый в кг/сек), на всем протяжении циркуляционного кольца остаётся неизменным. Т.е. если бы все циркуляционное кольцо было выполнено одним и тем же диаметром, то скорость теплоносителя на всём протяжении циркуляционного кольца оставалась бы одинаковой (на участке трубопровода с меньшим диаметром скорость выше, а на участке с бОльшим диаметром – ниже).

Поэтому теплоноситель не может физически разгоняться на одном участке циркуляционного кольца и тормозиться на другом участке циркуляционного кольца. Поэтому для наглядности хоть и буду применять далее термины «разгонять» и «тормозить», но буду брать их в кавычки.

Центр охлаждения можно поднять, разместив часть трубопроводов выше радиаторов. Например, в схеме с верхним рОзливом двухтрубной системы (картинка ниже). Т.е. сама магистраль верхнего рОзлива будет являться отопительным прибором. Также отопительными приборами будут являться спускающиеся от магистрали верхнего рОзлива вниз стояки.

Именно такую схему двухтрубной разводки с верхним рОзливом применяют в одноэтажных домах, когда нет возможности заглубить котел на достаточную величину. Так как трубопроводы магистрали верхнего рОзлива и стояки поднимают центр охлаждения на такую величину, чтобы возникал достаточный для гравитационной циркуляции гравитационный напор (точный расчет величины увеличения гравитационного напора производится гидравлическим расчетом).

Чем больше диаметр труб магистрали верхнего рОзлива и диаметры спускающихся от неё стояков, тем больше они отдают тепла. А чем больше остывание теплоносителя в этих участках трубопроводов, тем бОльший гравитационный напор создается. Также при увеличении диаметров уменьшаются циркуляционные потери давления (трение в трубах), что также улучшает циркуляцию.

А вот транзитный стояк, подающий теплоноситель от котла в магистраль верхнего рОзлива, будет не «разгонным», как его часто неверно называют, а «тормозящим», потому, что теплоноситель поднимается по нему вверх. Для уменьшения «тормозящей» роли транзитный стояк лучше утеплить.

Для примера приведу схему совершенно нерабочей системы в режиме гравитационной циркуляции. Причем главная причина её неработоспособности, это отсутствие разницы высоты между центрами нагрева и охлаждения.

Конечно, в этой схеме рисовальщик допустил много и других критичных ошибок, о которых кратко не могу не сказать:

- отсутствие байпасов (замыкающих участков) под радиаторами,

- подача теплоносителя «шиворот-навыворот», т.е. в нижний коллектор радиатора вместо верхнего коллектора.

Это пример того, как не нужно делать. Такая система сможет работать только в принудительной циркуляции, при устранении вышеуказанных ошибок.

Рассмотрим заблуждения, которые широко распространены о системах с гравитационной циркуляцией.

Первое заблуждение. Транзитный «разгонный» стояк разгоняет теплоноситель до такой скорости, что теплоноситель может пройти по кольцу, вернувшись в котел.

Вспомним, что массовый расход теплоносителя (измеряемый в кг/сек), на всем протяжении циркуляционного кольца остаётся неизменным. Т.е. если бы все циркуляционное кольцо было выполнено одним и тем же диаметром, то скорость теплоносителя на всём протяжении циркуляционного кольца оставалась бы одинаковой. Поэтому теплоноситель не может физически разгоняться на одном участке циркуляционного кольца и тормозиться на другом участке циркуляционного кольца.

Как Вы теперь уже знаете, транзитный стояк, подающий теплоноситель в верхнюю точку рОзлива, неверно называть «разгонным». Если уж быть точным, то он «тормозящий». Для уменьшения «торможения» теплоносителя в этом транзитном стоке, его лучше хорошо теплоизолировать.

Объяснением тому, что в некоторых случаях в одноэтажном доме транзитный стояк поднимают к потолку, а потом опускают вниз (делают «разгонную» петлю) и это помогает улучшить циркуляцию за счёт того, что суммарная теплоотдача «разгонной» петли поднята выше центра радиаторов. И тем самым поднимает немного центр охлаждения системы. Если уж и использовать такую «разгонную» петлю, то можно улучшить её функциональность, утеплив участок, на котором теплоноситель поднимается. Тогда восходящий участок «разгонной» петли станет меньше тормозить, а общий эффект применения «разгонной» петли увеличится.

Но хочу сказать, что в некоторых случаях применение «разгонной» петли приносит бОльший вред, нежели пользу. Потому, что иногда положительный эффект поднятия центра охлаждения, сводится к минимуму «разгонной петлей», или даже ухудшает циркуляцию. Потому, что трение (циркуляционное падение давления) в трубах может «сожрать» (из-за увеличения длины трубы) весь выигрыш от увеличения гравитационного напора. Приведу реальный пример. За счет применения разгонной петли удалось якобы выиграть 30 Паскаль гравитационного напора. Но за счет увеличения циркуляционного падения давления (так как увеличилась длина трубы) мы проиграли 40 Паскаль. Итого «на круг» наш проигрыш составил 10 Паскаль результирующего напора между гравитационным напором и циркуляционным падением давления в трубах.

Второе заблуждение. Подающая и обратные магистрали должны непременно прокладываться с уклоном по направлению движения теплоносителя .

Да, в этом случае уклон магистралей, «разгоняет» движение теплоносителя. но незначительно. И в реальном доме, магистрали так проложить удается не всегда. Да и ничтожный контруклон по сравнению с разницей высот центров нагрева и охлаждения ничуть «не сделают погоды». Естественно, по возможности, следует избегать контруклонов.

Где-то нужно обойти дверной проем, где-то высота стены мансардного этажа располагается на разном уровне. Возникает вопрос, будет ли осуществляться гравитационная циркуляция, если проложить подающую или обратную магистраль с контруклонами (обратными уклонами)?

Отвечаю на этот вопрос. Если рассчитать гидравлически снижение и повышение магистралей, то нарушения гравитационной циркуляции не произойдет. Особенно, если теплоизолировать восходящие участки с контруклонами. Но в верхних точках таких контруклонов будут возникать «воздушные карманы» в которых будет накапливаться воздух. И чтобы избавиться от «завоздушивания» системы, в таких верхних точках системы нужно поставить автоматические воздухоотводчики (по возможности с воздухосборниками, которыми является местное увеличение диаметра трубы). Ну, или хотя бы краны Маевского (чтобы иметь возможность спускать воздух вручную на этапе пуско-наладки системы). Пример показан на рисунке №2.

Уклоны в системах с гравитационной циркуляцией действительно необходимы, но не потому, что теплоноситель не может двигаться с контруклоном. А потому, что уклон 3 мм на 1метр магистралей позволяет пузырькам воздуха выходить из труб. Дело в том, что в системах с гравитационной циркуляцией, скорость движения теплоносителя значительно ниже, чем в системах с принудительной циркуляцией (ПЦ). И если в системах с ПЦ скорость теплоносителя проталкивает пузырьки воздуха по направлению движения (после чего воздух скапливается в радиаторах и верхних точках системы, где должны быть установлены краны Маевского для сброса воздуха), то в системах с гравитационной циркуляцией при недостаточной скорости теплоносителя (менее 0,1 м/сек), воздух не будет проталкиваться теплоносителем. Хоть уклон, хоть контруклон 3 мм на 1 метр, позволяет пузырькам воздуха самостоятельно «всплывать» и двигаться в сторону подъема магистралей при низкой скорости движения теплоносителя в трубе. Причем движение пузырьков воздуха может быть и противоположным движению теплоносителя в трубе.

Главное, чтобы система была сконструирована так, чтобы пузырьки могли сами удаляться из тех «карманов» (в которых они могут накапливаться) посредством автовоздухоотводчиков или через главный транзитный стояк вверх в расширительный бак. В тех же воздушных «карманах», где пузырьки не накапливаются постоянно, можно ограничиться установкой кранов Маевского.

Третье заблуждение. В системах с естественной циркуляцией охлажденный теплоноситель вверх двигаться не может, а нагретый теплоноситель не может двигаться вниз.

Для циркуляционной системы важна циркуляция теплоносителя по всему циркуляционному кольцу. Некоторые участки трубопроводов из которых состоит циркуляционное кольцо «разгоняют» теплоноситель. а некоторые тормозят. Напомню, что «разгоняют» циркуляцию вертикальные участки, где теплоноситель опускается, а «тормозят» - где теплоноситель поднимается. Но, если на фоне общего гравитационного напора в циркуляционном кольце порядка 300 Паскаль, какой-либо участок будет «тормозить» давлением порядка 20 Паскаль, то результирующий напор (побуждающий к циркуляции) все равно будет 280 Паскаль.

Т.е. можно и в гравитационной системе обходить магистралями дверные проемы (и прочее) и пОнизу и пОверху. Но, конечно, надо бы гидравлически рассчитать (какое будет падение давления на этом участке в Паскалях), не будет ли «торможение» теплоносителя критическим в каждом конкретном случае. Также напомню, что при обходе магистралями дверного проема пОверху, поднимающийся участок магистрали очень желательно теплоизолировать, чтобы снизить «тормозящий» эффект. А в верхней части обвода дверного проема установить автовоздухоотводчик или кран Маевского, чтобы из верхнего «кармана» можно было удалять воздух.

Приведу пример схемы, которая при произведенном гидравлическом расчете будет работоспособной с гравитационной циркуляцией. Хотя, конечно, не является оптимальной. В такой схеме также желательно теплоизолировать обратные стояки с поднимающимся теплоносителем для уменьшения «торможения».

Четвертое заблуждение. В гравитационных системах подающая магистраль (рОзлив) должна проходить над всеми ярусами радиаторов.

Да, расположить верхний рОзлив выше всех радиаторов было бы оптимальнее по многим причинам (поднятие центра охлаждения и воздухоудаление через открытый бак наверху транзитного стояка). Но это не является необходимым условием для функционирования гравитационной циркуляции. Рассмотрим пример такой схемы на рисунке №5.

Воздух в такой схеме можно удалять автовоздухоотводчиками (выделены на схеме кружочками). Ну, а расположение центра охлаждения и необходимый гравитационный напор нужно рассчитать.

Пятое заблуждение. При гравитационной циркуляции центры радиаторов нижнего уровня должны находиться выше центра нагрева (теплообменника котла).

Для одноэтажного дома (особенно с «ленинградской» схемой системы отопления) это действительно почти всегда так и есть. Но в двух и более этажном доме, радиаторы первого этажа (цокольного этажа) могут быть размещены и ниже центра нагрева. Но, конечно, работоспособность при этом должна быть проверена гидравлическим расчетом.

По схеме на рисунке №6 теплоноситель может циркулировать по стоякам. Потому, что уровнем центра охлаждения можно приблизительно принять среднюю высоту между центрами радиаторов второго и первого этажей (без учета трубопроводов, которые также являются отопительными приборами и их влияние на высоту центра охлаждения и теплоотдачу следует учитывать в расчетах). А как мы видим, средняя высота между радиаторами первого и второго этажей, находится выше, чем центр нагрева.

В большинстве случаях в такой схеме с однотрубными вертикальными стояками желательно добавить байпасы (замыкающие участки) у радиаторов.

Шестое заблуждение. В систему с гравитационной цируляцией, рассчитанную на применение воды в качестве теплоносителя. можно залить антифриз.

Нельзя этого делать без проведения расчета, потому что, антифризы обладают большей вязкостью, чем вода. Поэтому результирующего напора (разницы между гравитационным напором и циркуляционными потерями давления) может не хватить для необходимого объема циркуляции. Так как трение в трубах с антифризом (циркуляционные потери давления) будет намного больше, чем с водой.

Также, в связи с более низкой, чем у воды теплоёмкостью антифриза, скорость циркуляции в системе требуется больше с антифризом, нежели чем с водой. Т.е. при замене воды антифризом, циркуляция упадет в скорости. А при уменьшенной скорости циркуляции может начать наблюдаться кипение в теплообменнике котла. Что уже в свою очередь может вызвать разложение антифриза. Также уменьшение скорости циркуляции может вызвать слишком низкую температуру теплоносителя поступающего в обратку котла. А это будет вызывать выпадение кислотного конденсата на теплообменнике котла (разъедающего теплообменник). А в случае с чугунным теплообменником котла, может привести к растрескиванию теплообменника котла из-за слишком большой разницы температур на подаче и обратке котла.

Седьмое заблуждение. В открытый расширительный бак требуется постоянно доливать теплоноситель .

Открытый расширительный бак (РБ) совершенно не должен не иметь верхней крышки и представлять собой ведро. Просто его конструкцию нужно сделать так, чтобы вода из системы не испарялась, а в систему через РБ не попадал кислород, вызывющий коррозию элементов системы.

Т.е. РБ должен быть герметичным. Но его конструкция должна не позволять давления в РБ быть больше атмосферного. Для этого конструкция трубки для перелива избыточного объема выполняется по принципу перелива в смывном бачке унитаза. На пути следования этой трубке к канализации, нужно установить «сухой» сифон (погуглите, применяется в сантехнике). Сухой сифон предотвратит проникновение кислорода в РБ и систему. А «сухой» сифон должен быть, чтобы гидрозатвор в этом сифоне не высыхал.

С таким бачком система отопления не будет требовать доливки теплоносителя. Конечно, если в самой системе нет микроутечек теплоносителя .

Восьмое заблуждение. Нельзя ставить циркуляционный насос на главном транзитном стояке между котлом и расширительным баком.

Циркуляционный насос имеет смысл поставить. Насос может повысить КПД котла, а также увеличить теплоотдачу радиаторов. Но ставить насос нужно на байпасе транзитного стояка. Также насос должен быть небольшой мощности, например, Wilo Star 25/20, имеющий напор около 2 метров водяного столба. Пример правильной установки насоса на байпасе, показан на фото ниже.

Причем нельзя устанавливать на транзитном стояке ни запорных кранов, ни пружинного обратного клапана (слишком высокое у него гидросопротивления для гравитационной системы). Для автоматического перехода из режима гравитационной циркуляции в принудительную циркуляцию и обратно, нужно устанавливать обратный шаровый поплавковый клапан. Такой клапан обладает очень малым гидросопротивлением в открытом состоянии и не тормозит гравитационную циркуляцию. Принцип действия такого клапана показан на рисунке ниже.

По материалам сайта: http://master-otoplenie.ru