В системах отопления используют специальные циркуляционные насосы. Эти насосы предназначены для обеспечения принудительного движения жидкости по замкнутому контуру. В частности, это может быть замкнутая герметичная система отопления здания. При этом конфигурация системы в пространстве принципиального значения не имеет.

При расчете производительности насоса, работающего в системе с принудительной циркуляцией, следует учитывать только гидравлическое сопротивление в трубопроводе. Высота системы (здания) не имеет значения, так как жидкость, которая перекачивается насосом в подающий трубопровод, толкает воду также и в обратном направлении. Это обеспечивает относительно небольшую мощность насоса.

Принципиальная схема замкнутой системы отопления: 

1 — котел или тепловой узел; 2 — циркуляционный насос;
3 — отопительные приборы; 4 — отвод воздуха 

Циркуляционные насосы создают перепад давления в месте установки. Для определения фактического давления перепад давления суммируют со статическим давлением. Из-за различных потерь на трение в трубопроводах, запорно-регулирующей арматуре, котле и у потребителей в каждой точке системы возникает свое рабочее давление.

Отопительные системы осознанно эксплуатируют при избыточном давлении. Таким способом предотвращают образование пузырьков пара даже при критическом режиме работы. Благодаря избыточному давлению исключается проникновение воздуха снаружи в водную систему.

Что необходимо учитывать при выборе насоса:

· Производительность. Для циркуляционных насосов производительность должна быть расчитана, в любом случае это делают исходя из условия максимальной загруженности.

·

Напор. При подборе насоса необходимо учитывать гидравлические потери, возникающие в трубопроводах при полученной скорости циркуляции.

· Необходимо точно определить условия эксплуатации (температура теплоносителя, вещество, используемое в качестве теплоносителя, или его процентное содержание в растворе, диаметры трубопроводов).

Сопротивление сети трубопроводов ведет к потере давления, переданного жидкости по всей длине сети. Характеристика протекания жидкости в системе (характеристика сети) показывает общее сопротивление потоку. Причиной сопротивления сети трубопроводов являются трение воды по стенкам трубы, трение капель воды между собой, изменение направления движения в арматуре. При изменении объема перекачиваемой жидкости, например вследствие открытия или закрытия термостатических вентилей, изменяется также скорость воды и, соответственно, сопротивление сети трубопроводов.

Рабочая точка насоса 

Точку, где характеристика насоса пересекается с характеристикой сети, называют актуальной точкой системы отопления, или рабочей точкой. В этой точке имеет место равновесие между напором насоса и сопротивлением сети трубопровода. При изменении производительности, которую может обеспечить насос, положение рабочей точки также изменится.

 Коэффициент полезного действия насоса 

Коэффициент полезного действия насоса, или коэффициент эффективности, является отношением полученной мощности к выданной мощности. Так как в системе всегда есть потери, КПД всегда меньше единицы.

Оптимальное значение КПД лежит приблизительно на середине его характеристики. В каталогах производителей насосов оптимальная рабочая точка для каждого насоса специально обозначена.

 Зона II — область оптимального расположения рабочей точки 

При подборе насоса следует иметь в виду, что рабочая точка должна находиться в средней трети диаграммы рабочих линий насоса. Не следует устанавливать более мощный насос, чем это требуется для безупречного теплообеспечения здания.

Вода как средство переноса теплоты

Выделим свойства воды как средства транспортировки теплоты:

· теплоаккумулирующая способность;

· изменение объема как при нагреве, так и при охлаждении;

· связанное с изменением объема изменение плотности;

· испаряемость под воздействием внешнего давления.

Важнейшим качеством любого теплоносителя является его теплоаккумулирующая способность. Для воды при температуре от 0 до 100 ^оС средняя удельная теплоемкость имеет значение

с = 4,19 кДж/(кг∙К) или с = 1,16 Вт∙ч/(кг∙К).

Удельная теплоемкость — это то количество теплоты, которое необходимо затратить для увеличения температуры1 кгматериала на 1 К. При охлаждении он отдает то же количество теплоты.

Формула для вычисления, передаваемого или отводимого количества теплоты, имеет вид

Q = m × c × Δt , или Q = V × p × c × Δ t ,

где Q — количество теплоты, Дж; m — масса теплоносителя, кг; с — удельная теплоемкость теплоносителя, Дж / (кг∙К); Δt — разница температур на входе и выходе системы , К; V — объем, м³ ;

p — плотность теплоносителя, кг/м³ ( p = 1 кг/дм 3 при температуре от 4 до 90^оС).

Выбор насоса

Отопительный контур, имеющий максимальное падение давления Δ p max , Па, является определяющим при выборе насоса. Напор Н , создаваемый насосом, должен покрывать полное падение давления в этом контуре (с учетом падения давления в подводящих магистралях, регулировочных клапанах и т.д., в самом насосе, отопительном котле и гравитационной составляющей падения давления на тех участках, где она выступает в роли сопротивления). Максимальное падение давления в системе и суммарный объемный расход определяют рабочую точку насоса (напор и подачу соответственно). Насос выбран правильно, если рабочая точка лежит на характеристике насоса при его максимальной частоте вращения в области максимального КПД насоса (наилучшей подачи) или близка к этой точке.

 Расчетная точка 

Если расчетная точка попадает в промежуток между линиями характеристик двух ближайших по параметрам насосов, следует выбирать насос меньшей мощности.

 Диаграмма мощности 

При подборе подходящего насоса следует иметь в виду, что рабочая точка должна находиться в средней трети диаграммы рабочих линий насоса. Не следует устанавливать более мощный насос, чем это требуется для безупречного теплообеспечения здания.

Подбор производительности насоса

Поток теплоносителя через магистраль равен сумме потоков теплоносителя всех ее контуров. Циркуляционный насос подбирают таким образом, чтобы при требуемом напоре его подача обеспечивала необходимый поток теплоносителя в магистрали.

Объемный расход теплоносителя

V s _S = 1,1 × Q _S × 3600 / ( c × p × Δ t ),

где V s _S — объемный расход теплоносителя через магистраль, м ³ /ч; Q _S — суммарная тепловая мощность всех контуров магистрали, Вт; c — теплоемкость теплоносителя при данной температуре, Дж / (кг∙К); p — плотность теплоносителя при данной температуре, кг/м 3 ; Δt — допустимое падение температуры теплоносителя в контурах магистрали, К.

Напор насосов

Потери напора в трубопроводе рассчитывают по формуле

Δp = R × L + Z ,

где Δp — потери напора, Па; R — линейная потеря давления на 1 м длины, Па/м; L — общая длина трубопровода до самого удаленного нагревательного элемента, м; Z — падение давления при преодолении местных сопротивлений на фитингах и арматуре, Па;

Z = S_e × p × v ² / 2,

где S_e — сумма коэффициентов местных сопротивлений на рассчитываемом участке трубопровода; p — плотность воды, кг/м³ ; v — скорость теплоносителя в трубопроводе, м/с.

Гидравлические характеристики элементов отопительной системы (труб, отопительных приборов, вентилей, клапанов, включая термостатические) представлены в справочных изданиях фирм-изготовителей и разработчиков нормативной документации.

Следует обратить внимание, что величина R имеет квадратичную зависимость от скорости движения теплоносителя по трубе, а это накладывает некоторые ограничения на выбор диаметров трубопроводов. Для металлопластиковых труб в допустимом диапазоне диаметров расчетное значение R представлено в таблице «Потери давления в трубе» (см. разд. 1.1 «Металлопластико­вые трубы HENCO»).

Потеря давления может быть переведена в метры водяного столба:

H = Δ p / ( p × g ),

где H — потеря напора, м; g — ускорение свободного падения (9,81 м/с² ).

Совместная работа нескольких насосов

Вся прежняя информация относилась к центробежным насосам с одним рабочим колесом. На практике возникают ситуации, при которых одинарный насос не может выполнять поставленные задачи. В таких случаях устанавливают два насоса в последовательном или в параллельном включении.

 Два одинаковых насоса при последовательном режиме работы 

(только при нулевой подаче происходит удвоение напора) 

Два одинаковых насоса при параллельном режиме работы
(только при нулевом напоре происходит удвоение подачи) 

       Следует обратить внимание на часто встречающееся заблуждение, что два одинаковых насоса при последовательном режиме работы будут давать удвоенный напор и что два одинаковых насоса при параллельном режиме работы будут давать удвоенную производительность. Посмотрите на графики и вы увидите. что это не так.